Bi-MOF衍生N-C/Bi杂化材料：空间隔离与导电协同提升硅负极的高容量长循环性能

针对硅负极体积膨胀和本征低导电性难题，研究人员通过Bi-MOF热解衍生策略构建了空间限域的Si/Bi@NC复合材料。该材料通过N掺杂碳基质隔离硅纳米颗粒，金属Bi增强导电性并形成Lix Bi离子传输通道，实现了520.0 mAh g-1 @700次循环的优异性能，为高稳定性硅基负极设计提供了新思路。

　　

硅材料因其高达4200 mAh g^-1
的理论比容量（Li₂₂
Si₅
相）被视为下一代锂离子电池（LIBs）负极的明星材料，但其商业化进程长期受困于三大瓶颈：充放电过程中300%的体积膨胀、本征导电性差（10^-3
S cm^-1
量级）以及不稳定的固体电解质界面（SEI）膜。这些问题导致硅颗粒粉化、活性物质流失，最终引发电池容量断崖式衰减。尽管纳米化、碳包覆等策略部分缓解了这些问题，但硅纳米颗粒（Si NPs）的团聚现象和碳层导电不足仍制约着性能突破。

贵州师范大学的研究团队独辟蹊径，利用铋基金属有机框架（Bi-MOF）的自组装特性与热解行为，创新性地设计出"硅/铋@氮掺杂碳"（Si/Bi@NC）三明治结构。通过同步热解聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和Bi-MOF，原位生成N掺杂无定形碳基质和金属铋纳米颗粒，前者像"防爆墙"般物理隔离硅颗粒，后者则构建起"电子高速公路"和锂离子快速通道（Li_x
Bi相）。这种"空间限域+双导电网络"的协同设计，使材料在1 A g^-1
电流密度下循环700次仍保持520.0 mAh g^-1
容量，库仑效率（CE）达99.9%，相关成果发表于《Journal of Alloys and Compounds》。

关键技术方法包括：1）PVP辅助的Bi-MOF原位组装技术，实现Si NPs均匀分散；2）梯度热解工艺（500-700°C）同步转化Bi-MOF和PVP为功能组分；3）同步辐射X射线吸收谱（XAS）解析Li_x
Bi相演化机制；4）电化学阻抗谱（EIS）量化电荷转移电阻变化。

【材料制备与表征】
通过溶剂热法将Si NPs、Bi(NO₃
)₃
·5H₂
O与1,3,5-苯三甲酸（H₃
BTC）组装成前驱体，热解后获得Si/Bi@NC。透射电镜（TEM）显示Si NPs被10 nm金属Bi和2-3层石墨化碳包裹，选区电子衍射（SAED）证实Bi的菱方晶系结构（JCPDS No.85-1329）。

【电化学性能】
在0.1 A g^-1
首周效率达89.2%，远高于纯Si电极（72.3%）。原位X射线衍射（XRD）证实Bi在0.7 V转化为Li₃
Bi，该合金相使Li⁺
扩散系数提升2个数量级（10^-12
→10^-10
cm²
s^-1
）。

【机理分析】
X射线光电子能谱（XPS）显示吡啶氮（398.5 eV）占比达41.7%，显著增强电子传导。有限元模拟表明N-C/Bi杂化结构将硅颗粒应力分布从48.7 MPa降至12.3 MPa。

该研究开创性地将Bi-MOF衍生物用于硅负极改性，提出的"隔离-导电-应力缓冲"三位一体设计原则，不仅为高能量密度电池开发提供新范式，更拓展了MOF材料在储能领域的应用边界。特别是金属铋的双重功能（电子导体+离子通道）设计，为多价态金属（Sb、Sn等）在电极材料中的应用开辟了新思路。国家自然科学基金（U24A2099）等项目的支持，彰显了该成果在国家新能源战略中的重要意义。