铋基材料(Bi、Bi₂O₃、Bi₂S₃等)主要通过转化和合金化反应进行储钾,具有较高的理论储钾比容量和较低的平台电位,是一类很受关注的钾离子电池负极材料。然而,钾离子脱嵌过程中的剧烈体积变化和低的电子电导率影响了其循环和倍率性能,这成为限制铋基材料发展的主要问题。本文利用结构调控、与高导电性材料复合以及构筑稳定的电极/电解液界面等策略,分别采用球磨-热还原法、Bi MOF高温转化法、水热-硫化-热还原法制备了0D-2D Bi/r GO、Bi/Bi₂O₃-C和Bi₂S₃/IG三类高性能的钾离子电池铋基负极材料。(1)以Bi₂O₃纳米片为前驱体,通过球磨和热还原过程将Bi纳米颗粒与还原氧化石墨烯(r GO)组装,制备了纳米Bi颗粒均匀分布在r GO层间的Bi/r GO复合材料。高导电性的r GO不仅能有效抑制Bi纳米颗粒的团聚,保证Bi纳米颗粒与电解液之间的接触,而且可以缓冲Bi纳米颗粒在充放电过程的体积变化,保证电极结构的稳定,同时还可以促进电子的传输,改善Bi/r GO电极的导电性。当r GO质量占比达到~40%时,Bi/r GO复合材料表现出最佳的电化学储钾性能,在50 m A g^-1下可逆比容量为384.8 m Ah g^-1,在1 A g^-1下循环1000次后保持147.3 m Ah g^-1的储钾容量。(2)以常温液相反应合成的具有二维“手风琴”结构的Bi MOF为前驱体,采用高温碳化原位制备了Bi/Bi₂O₃-C复合材料。复合材料中Bi/Bi₂O₃纳米颗粒均匀地负载在二维碳基底上,碳片层的存在可以提高Bi/Bi₂O₃的电子传输速率和储钾时的结构稳定性,避免活性物质损失。此外,Bi/Bi₂O₃纳米颗粒中Bi和Bi₂O₃在异质界面处可以形成内建电场,进一步促进了电子在异质界面的传输,提高Bi/Bi₂O₃-C的材料电化学活性和储钾性能。在900℃下高温碳化制备得到的Bi/Bi₂O₃-C复合材料在储钾时具有优异的循环稳定性。在100 m A g^-1下的首次可逆比容量为339.1m Ah g^-1,循环200次后保持259.6 m Ah g^-1。(3)通过水热-硫化-热还原在碘掺杂石墨烯表面组装Bi₂S₃纳米棒,制备了Bi₂S₃/碘掺杂石墨烯(IG)复合材料。水热过程中原位掺杂在r GO上的碘原子以聚阴离子盐I₃^-和I₅^-的形式存在,有利于提高r GO的电子传输速率和表面化学活性,并使碘掺杂石墨烯与Bi₂S₃纳米棒在水热过程中稳定结合。r GO可以提高复合材料的导电性,避免Bi₂S₃纳米棒的颗粒团聚,使其暴露出更多储钾活性位点,还能缓冲Bi₂S₃在循环储钾过程中的体积膨胀。同时,Bi₂S₃纳米棒的存在也可以防止r GO的堆叠,保证复合材料具有较大的比表面积,Bi₂S₃与电解液充分接触。对电解液组成对Bi₂S₃储钾性能影响的研究表明,高浓度双氟磺酰亚胺钾盐(KFSI)基醚类电解液(5 M KFSI-DME)可以在电极表面形成稳定的无机SEI膜,改善电极的循环稳定性。Bi₂S₃/IG复合材料在5 M KFSI-DME电解液中具有优异的储钾性能,当IG比例为20%时,电极在50 m A g^-1下具有525.4m Ah g^-1的高储钾容量,以100 m A g^-1循环100次后比容量仍维持有411.0m Ah g^-1。