Ultrathin Bismuth Nanosheets for Stable Na-Ion Batteries: Clarification of Structure and Phase Transition by in Situ Observation

材料科学 纳米片 堆积 插层(化学) 相(物质) 相变 纳米技术 亚稳态 透射电子显微镜 结晶学 化学物理 化学工程 化学 无机化学 凝聚态物理 冶金 工程类 物理 有机化学
作者
Yaxin Huang,Chongyang Zhu,Shengli Zhang,Xuemin Hu,Kan Zhang,Wenhan Zhou,Shiying Guo,Feng Xu,Haibo Zeng
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:19 (2): 1118-1123 被引量:139
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b04417
摘要

Bismuth has garnered tremendous interest for Na-ion batteries (NIBs) due to potentially high volumetric capacity. Yet, the bismuth upon sodiation/desodiation experiencing structure and phase transitions remains unclear, which sets a challenge for accessing nanotechnology and nanofabrication to achieve its applicability. Here, we use in situ transmission electron microscopy to disclose the structure and phase transitions of layered bismuth (few-layer bismuth nanosheets) during Na+ intercalation and alloying processes. Multistep phase transitions from Bi → NaBi → c-Na3Bi (cubic) → h-Na3Bi (hexagonal) are clearly identified, during which the Na+ migration from interlayer to in-plane evokes the structure transition from ABCABC stacking type of c-Na3Bi to ABABAB stacking type of h-Na3Bi. It is found that the metastable c-Na3Bi devotes to buffer the dramatic structure changes from thermodynamic stable h-Na3Bi, which unveils the origin of volume expansion for bismuth and has important consequences for 2D in-plane structure. As the lateral ductility can efficiently alleviate the in-plane mechanical strain caused by the Na+ migration, the few-layer bismuth nanosheet exhibits a potential cyclability for NIBs. Our findings will encourage more attention to bismuthene as a novel anode material for secondary batteries.
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