仅数秒高温辐射制备双金属合金负极

钾离子电池（KIBs）因其低成本和高钾元素丰度，在大规模电化学储能系统中展现出替代锂离子电池（LIBs）的潜力。尽管KIBs具有接近锂的氧化还原电位，但K离子较大的半径导致在充放电过程中电极材料体积膨胀，影响循环稳定性。合金型负极材料如Sb、Sn和Bi虽具有高比容量，却因体积膨胀而容量快速衰减。为解决这一问题，研究者开始关注由两种金属元素组成的双金属合金负极，以期通过元素间的协同效应提升电化学性能和结构稳定性。然而，现有制备方法如管式炉退火（TFA）在合金结构控制上存在局限，导致合金颗粒粗化、尺寸不均匀，难以实现超细且均匀分布的合金纳米颗粒。最近提出的电焦耳加热热冲击合成方法虽能快速制备超细金属纳米颗粒，但受限于载体的承载能力，难以实现大规模生产。因此，开发一种能够快速、高效制备高质量双金属合金纳米颗粒的新方法，对推动KIBs负极材料的发展具有重要意义。

通过管式炉退火（TFA）法制备合金面临许多限制，例如组成金属的粗化和挥发无法控制。在这项工作中，研究人员采用超快速高温辐射（HTR）方法来实现一系列高质量双金属合金的通用制造。快速HTR方法为纳米尺寸独特合金的广泛应用提供了一个创新且广阔的研究与应用前景。

在本研究中，研究人员通过一种创新的超快速高温辐射（HTR）合成法，成功制备了具有窄尺寸分布和高载量的超细双金属合金纳米颗粒，用于钾离子电池（KIBs）负极材料。

图1A展示了HTR方法与传统TFA方法的合成过程对比，HTR能在约15秒内实现超过1300K的温度，而TFA则需约10小时。图1B详细描述了HTR和TFA的温度曲线，图1C通过雷达图比较了两种方法的反应持续时间、加热/冷却速率、平均粒径、合金含量和纳米级均匀性。BiSb-HTR（图1D和F）与传统TFA合成的BiSb-TFA（图1E和F）相比，显示出更均匀的粒径分布和更高的比表面积，有利于提高电化学性能。

图2A展示了HTR处理过程中的XRD结果和相应的时间-温度变化轮廓图，图2B-E通过SEM图像展示了不同加热时间下前驱体的结构变化。这些结果揭示了在超短时间内实现超快速结晶BiSb-HTR合金的能力。

通过SEM（图3A）和TEM（图3B）图像，研究人员观察到BiSb纳米颗粒均匀嵌入碳纳米片中，显示出核壳结构，具有结晶核心和非晶外壳。图3C的选区电子衍射（SAED）模式进一步验证了超细BiSb纳米颗粒的纳米晶结构。图3D和E的HAADF-STEM和EDS元素映射图像表明Bi和Sb元素在球形BiSb纳米颗粒中均匀分散。

对比实验表明，与传统TFA方法相比，本研究所用的HTR技术能在约15秒内完成高质量双金属合金的制备，有效避免了金属组分的蒸发和氢气的危险使用，导致具有高载量的均匀分散超细合金纳米结构。图3F和表S1展示了这种制备技术的高效率，对材料的规模化生产极为有利。通过热重分析（TGA）评估了合金组分的含量，BiSb-HTR（图3G）具有比BiSb-TFA更高的合金含量。

在不同电解液中评估了制备的BiSb-HTR的电化学性能，包括0.8 M KPF6在EC/DEC、3 M KFSI在DME和5 M KFSI在DME。图4展示了BiSb-HTR在半电池中的电化学性能，包括不同电解液下的比容量、循环伏安（CV）曲线、恒流充放电（GCD）曲线、循环性能以及与其他报道的Bi/Sb基KIBs负极材料的比较。

原位XRD技术用于探究BiSb-HTR负极在KIBs中的K+存储机制，图5展示了BiSb-HTR负极在第一次和第二次K+插入/提取循环期间的原位XRD图案和相应的充放电曲线。通过电位间歇滴定技术（GITT）测试和电容效应贡献计算，发现BiSb-HTR负极在potassiation/depotassiation过程中的K+扩散系数高于BiSb-TFA负极。

图6展示了使用PTCDA正极和BiSb-HTR负极组装的KIBs全电池的放电机制、不同电流密度下的充放电曲线、倍率性能和循环性能。

图7A展示了HTR方法的组成设计，扩展了双金属合金的新空间。图7B-E展示了SnSb、CoSb、NiSb和FeSb的高倍SEM图像、纳米颗粒尺寸分布、XRD图案和TGA曲线。图7F展示了基于卷对卷系统的高质量负极纳米材料的大规模生产示意图。

综上，本研究的HTR合成法为制备高性能KIBs负极材料提供了一种高效、可扩展的新途径，具有重要的科学意义和应用前景。