综述：Bi-Sb合金及其硫族化合物在钠/钾离子电池负极中的应用研究

这篇综述系统阐述了Bi-Sb合金及其硫族化合物（硫化物/硒化物/碲化物）作为钠/钾离子电池（SIBs/PIBs）负极材料的最新进展。通过纳米结构设计（如二维层状架构）、复合工程（碳基基质）和异质结构优化，有效解决了体积膨胀（~250%）和电极粉化问题，其双金属协同效应使理论容量提升至385 mAh g?1，为替代锂电（LIBs）提供了高性价比储能方案。

　　

Bi-Sb合金及其硫族化合物的电化学舞台

在应对能源危机和环境挑战的背景下，钠/钾离子电池（SIBs/PIBs）因其资源丰富（地壳含量Na 2.3%、K 1.7%）和成本优势，成为锂离子电池（LIBs）最具潜力的替代者。而负极材料作为电池核心，其性能直接决定储能系统的能量密度上限。

Bi-Sb合金：双金属的共舞

传统单金属负极（如Sb、Bi）面临严重的体积膨胀问题——例如Bi在Na₃Bi合金化反应中膨胀率达250%。而Bi-Sb合金通过固溶体形成独特的"缓冲矩阵"：Sb的高硬度骨架抑制结构坍塌，Bi的塑性变形吸收应力，二者协同将体积变化降低至~120%。这种"刚柔并济"的特性使Bi_0.75Sb_0.25复合材料在100次循环后仍保持385 mAh g^?1的高可逆容量。

硫族化合物的转化魔术

当Bi-Sb与硫族元素（S/Se/Te）结合时，材料展现出多步储能机制：

1. 1.

   转化反应：如Sb₂S₃ + 6Na⁺ → 2Sb + 3Na₂S

2. 2.

   合金化反应：Sb + 3Na⁺ → Na₃Sb

   硒化物（如Bi₂Se₃）因Se的金属性赋予更高导电性，而碲化物则通过Te-Te链缩短离子扩散路径。通过构建核壳结构（Sb₂S₃@C），碳层不仅能缓冲体积变化，还形成三维导电网络，使倍率性能提升3倍。

纳米工程的精妙设计

研究者采用多种策略优化材料性能：

• •

  二维多孔纳米片：将离子扩散距离缩短至50 nm

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  异质界面工程：Bi₂S₃/Sb₂S₃界面处的内置电场加速电荷转移

• •

  梯度浓度设计：表面富Sb层增强结构稳定性

挑战与未来方向

尽管当前研究取得突破，但实际应用仍面临挑战：

1. 1.

   长循环稳定性（>1000次）与高面容量（>3 mAh cm^?2）的平衡

2. 2.

   低温性能优化（-20℃下容量保持率<60%）

3. 3.

   规模化生产的成本控制（硫族元素提纯成本较高）

未来研究将聚焦于人工智能辅助材料筛选、原位表征技术揭示界面演化机制，以及开发新型电解液体系。这些突破将推动Bi-Sb基材料从实验室走向电网级储能应用，为碳中和目标提供关键技术支撑。