武汉理工大学-Bi2O3: 水系金属离子电池电极材料

引语

经过长期研究与发展，锂离子电池技术已经发展成熟。但为了满足新的能源需求，安全、环保、可持续的新型电池体系和电极材料的开发迫在眉睫。近些年，一价（Na⁺, K⁺），二价（Mg²⁺,Zn²⁺）以及三价（Al³⁺）离子电池因各金属离子在储量和成本上的优势而向锂离子电池发起挑战。水系非锂金属离子电池体系更是受到广泛的关注。然而，水系非锂金属离子电池的发展受到诸多限制，同时具有大容量、优越倍率性能、良好充放电平台的电极材料非常少见，可广泛用于多种水系电池的电极材料更是鲜有报道。

成果简介

有鉴于此，武汉理工大学刘金平课题组系统地研究了Bi₂O₃电极材料在十七种水系一价,二价和三价金属离子电解质中的电化学性能，提出了水系转换反应机制。在中性Li⁺电解质中电极展现出高比容量（0.72 C，357 mAh g^-1 ), 优异的循环性能和倍率性能（217 C，75 000 mA g^-1)。通过与传统Li⁺嵌入电极（LiMn₂O₄）搭配, 水系LiMn₂O₄ / / Bi₂O₃全电池展现出高循环稳定性，低自放电率和高能量密度（~78 Wh kg^-1),优于传统的水系锂离子电池(<50 Wh kg^-1)。

图文导读

图1 Bi₂O₃电极的结构和形貌表征。(A)XRD的谱图。Ti基和δ-Bi₂O₃作为参比。(B)低分辨率的扫描电镜图。(C)高分辨率扫描电镜图像显示超薄弯曲的边缘（10-12 nm)。

图2 电化学行为和性能。Bi₂O₃电极在1 mV s^-1下的CV曲线，由图可说明氯盐电解质比硝酸和硫酸盐电解质电化学性能差。

(A)在1 Mol KNO₃电解质，电势范围-1.1~1 V;

(B)在1 Mol MgCl₂电解质，电势范围-1.2~1 V;

(C)在1 Mol AlCl₃电解质，电势范围-0.5~1 V;

(D)15种不同金属离子盐溶液电解质的倍率性能;

(E-G)1 Mol KNO₃, MgCl₂, Al(NO₃)₃电解质的恒电流充放电性能。

图3 Bi₂O₃电极电化学分析。分析不同电解质对电化学动力学影响。初始CV曲线(A)硫酸盐电解质;(B)硝酸盐电解质;(C)锂盐电解质。阳离子水合能大小(D)碱金属硫酸盐;(E)碱土硝酸盐;(F)锂盐。(G)OH^-扩散系数和电解质塔菲尔斜率的变化。

小结：

电势大小：K⁺<Na⁺<Li⁺,Ba²⁺<Sr²⁺<Ca²⁺<Mg²⁺, Cl^-<NO₃^-<SO₄^2-

水合能大小：K⁺>Na⁺>Li⁺,Ba²⁺>Sr²⁺>Ca²⁺>Mg²⁺, Cl^->NO₃^->SO₄^2-

图4 混合锂电解质的倍率性能和循环稳定性。(A)不同电解质倍率性能对比。插图对应是不同扫速下混合锂电解质的循环伏安图。(B)倍率性能。(C)循环性能。

图5 电荷存储机理分析。

该图说明电极的变化为a-Bi₂O₃—Bi²⁺—Bi⁰.

电化学反应：Bi₂O₃ + 3H₂O +6e^-↔2Bi⁰ + 6OH^-

图6 全电池电化学性能表征。较好的倍率和循环性能预示着该材料大规模实际应用的可能性。

（A)LiMn₂O₄正极和Bi₂O₃负极对应。(B)LiMn₂O₄//Bi₂O₃充放电电压。(C)循环稳定性。(D)不同电流密度下的放电电压曲线（平台明显）。(E)倍率性能。(F)自放电曲线。

展望

这项工作为未来水系可充电金属离子电池提供了基于转换反应的新型电极材料，相信也会将低成本、可持续的电化学储能技术向前推进一大步。

刘金平教授简介

刘金平，博士，武汉理工大学教授，青年拔尖人才。获湖北省杰出青年人才基金资助（2013），SCOPUS青年科学家之星（2010），Elsevier“中国高被引学者”（2014、2015）。围绕“阵列化纳米储能电极与器件”相关的基础科学问题，迄今在Adv. Mater.系列，Nano Lett., Energy & Environ. Sci.等期刊上发表SCI论文90余篇，被Nature Energy等SCI他引6000余次，H指数44。其中，15篇论文被评为全球ESI高被引（1%）或热点（0.1%）论文。承担科技部纳米科技重点专项、国家自然科学基金面上项目、湖北省杰青等项目。

详见：http://www.webjam.com/jinpingliu。

文献链接：Bismuth oxide: a versatile high-capacity electrode material for rechargeable aqueous metal-ion batteries（Energy Environ. Sci., 2016, DOI: 10.1039/C6EE01871H）

感谢刘金平教授对文章提出了中肯的修改意见，感谢刘教授对科研工作严谨的态度以及材料人编辑团队工作的重视，日后我们定加倍认真处理有关报道，对给刘教授以及相关工作人员带来困扰，材料人网深表歉意。

该文献导读由材料人新能源学术小组Amanda供稿，材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。