金玉强

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近年来，人们对于能源的需求量越来越大，各种新能源的开发和利用的不断加快，使得锂离子电池成为当下最火的储能器件，人们对于锂离子电池的要求也越来越高。电极材料作为锂离子电池中最重要的部分而不断发展，商业化的碳材料已经无法满足人们对于高能量密度锂离子电池的需求。因此研发高能量密度、电化学性能优异的负极材料是当下比较重要的方向。

1 铋基材料

铋(Bi)的质量比容量和石墨相近，但体积比容量高达3765mAhcm-3比石墨高3倍多，同时铋具有较低的电压平台较[1]。

1.1 纯铋材料

Wanwan Hong等[2]通过还原具有纳米棒形貌的Bi2S3进而得到氮掺杂的核壳结构Bi@C复合材料。此种复合材料具有介孔结构，为锂离子的嵌入与脱出提供了较大的空间。这也在材料的电化学性能上有了很大的体现。在电流密度为1.0mAg-1时，在500次循环后比容量仍为1700mAhcm-3。说明材料纳米化和结构设计对于材料电化学性能提升具有很好的作用。

Yan Zhang等[3]采用还原碳酸铋/石墨烯得到N掺杂的N-G/Bi材料。因为单质Bi生长在石墨烯表面，且N掺杂的石墨烯导电性较好，所以该材料表现出较好的电性能。当电流密度为50mAg-1时，10次循环后为390mAhg-1，当电流密度为1Ag-1时，仍然为218mAhg-1。

1.2 铋合金材料

不同金属元素之间具有一定的协同的作用，因此将铋单质进行合金化，可以使得材料展示出更好的电化学性能。Yubao Zhao等[4]通过高能球磨法将Bi、Sb和Super-P球墨得到BiSb-C复合材料，该材料展示出了极好的电化学性能。研究人员选择了Bi0.57Sb0.43-C和Bi0.36Sb0.64-C两个比例来的材料进行电化学测试。在电流密度为200mAg-1时，经过100次循环，Bi0.57Sb0.43-C和Bi0.36Sb0.64-C的放电比容量分别为348.5和350mAhg-1。当倍率性能测试时，电流密度为3 Ag-1时，放电比容量仍有326和396mAhg-1。通过上述实验可以发现，在Bi和Sb的协同下，二者各自的优点均得到体现，对材料的循环性能与倍率性能都有很大的益处。

1.3 铋的硫化物

Bi2S3因其是硫属化合物的一员逐渐被关注。Bi2S3同样具有体积膨胀比较大、导电性能差的缺点。因此研究人员通过结构设计与材料复合提升其电化学性能。

Saina Liu等[5]采用可控合成的方法合了菊花形的Bi2S3，他们认为该结构提供了充分的空间，有利于电解液的浸润以及锂离子的进出，所以可以在单独使用时表现出优异的电化学性能。在电流密度为0.5Ag-1时，300次循环放电比容量为480mAhg-1，容量保留率高达99.6%。倍率测试时，当电流密度为5Ag-1时，放电比容量还有251mAhg-1。

Shuwen Wang等[6]合成一种三维氮掺杂碳包覆花状Bi2S3的结构。在此种结构中，碳包覆层可以加快电子传导，有利于锂离子的嵌入与脱出，同时可以缓解Bi2S3的体积膨胀。由于结构的创新，材料展示出较高的电化学性能，在200mAg-1的条件下，224次循环后放电比容量仍为1001.7mAhg-1，且在倍率测试中，即使上升到2.5Ag-1时，放电比容量仍然有543mAhg-1。

1.4 铋的氧化物

一直以来，Bi2O3广泛的应用于半导体材料领域，因Bi2O3具有层状结构以及理论比容量高的特点，Yuling Li等[7]第一次报道了将Bi2O3用作负极材料的研究，在0.1Ag-1时，40次循环后放电比容量为782mAhg-1。

通过设计氧空位能改善Bi2O3电化学性能。Haichen Liang等[8]利用溶剂热法将Bi2O3/rGO转变成Bi2O2.33/rGO复合材料。循环测试时，1C条件下，100次循环放电比容量为473mAhg-1，当电流密度升高至10C时，经过600次循环后放电比容量仍有346mAhg-1，且该材料的倍率性能也比较优异。

1.5 其他铋基材料

(BiO)2CO3、Bi2Se3、BiOX(X=Cl、Br、I)等Bi基材料也被用作锂离子电池负极材料进行研究。

Lianyi Shao等[9]采取球磨法将(BiO)2CO3与碳黑制成复合材料。电流密度为50mAg-1时，该复合材料的首次放电比容量为1080mAhg-1，15次循环后其放电比容量为298mAhg-1。该研究展示了(BiO)2CO3作为锂离子负极材料的前景。

Rencheng Jin等[10]利用溶剂热法合成出CNTs@C@Bi2Se 3复合材料。这种新颖的结构设计可以改善Bi2Se3的电导率，同时缓冲了材料的体积膨胀。在电流密度为0.1mAg-1时，该材料的首次放电比容量为908mAhg-1，经过100次循环后放电比容量仍有431mAhg-1。

2 结束语

铋极材料虽然展示出较高的体积容量，但是面临着循环过程中体积膨胀导致电性能恶化的问题，未来会限制材料的商业化开发，所以铋基负极材料需要在一下几个方向进行研究：(1)材料纳米化，通过纳米化处理使得材料体积膨胀变小，提升其循环性能；(2)材料合金化，通过与其他金属单质协调作用，提升循环性能与倍率性能；(3)复合材料，通过与碳材料或者其他氧化物进行复合，缓解体积膨胀，防止材料粉化脱落；(4)结构设计，设计新颖的结构可以充分发挥材料的性能，带来意想不到的效果。随着研发人员不断研究，铋基材料应用中的难点都会被解决，而铋基材料也会逐渐进行商业化。