青岛科技大学王磊教授团队，AFM：接近理论容量:0D/2D非晶/晶相铋基异质结构用于水系碱性可充电电池阳极- 大数跨境

首页

青岛科技大学王磊教授团队，AFM：接近理论容量:0D/2D非晶/晶相铋基异质结构用于水系碱性可充电电池阳极

科学材料站

2024-07-31

导读：青岛科技大学王磊教授团队，AFM：接近理论容量:0D/2D非晶/晶相铋基异质结构用于水系碱性可充电电池阳极

科学材料站

文章信息

接近理论容量:0D/2D非晶/晶相铋基异质结构用于水系碱性可充电电池阳极

作者：王笑东、周凤鸣、梁秋月等

通讯作者：王磊、肖振宇

单位：青岛科技大学

推文作者：青岛科技大学王磊教授团队

科学材料站

研究背景

开发可持续清洁能源已被公认为是满足人类社会未来能源和环境需求的必然选择。然而，清洁能源在时间和空间上的不均匀分布，导致了大规模的弃风、弃光现象，限制了它们的进一步应用。因此，开发具有高功率密度和优良循环性能的储能装置，缓解新能源发电对于电网的冲击，增加“绿电”的利用率和保证稳定供电，这对于新能源产业的推广将发挥至关重要的作用。水系碱性可充电电池以其简单、便携、经济性和内在安全性高而闻名，被认为是下一代大规模储能系统有力竞争者。电极材料是决定水系电池能量密度、功率密度和使用寿命的关键因素。到目前为止，与广泛探索的Co/Ni基正极材料相比，负极材料仍然不尽如人意，这成为碱性电池进一步应用的短板。铋基电极材料由于其低反应电位、无毒性、高理论容量和宽泛的负电压窗口而成为组装水系碱性可充电电池阳极的理想电极材料。然而，铋基材料在长时间充放电循环中容量保持率逐渐下降以及较差的导电性阻碍了其广泛应用。因此，实现高性能的水系碱性电池器件在很大程度上依赖于开发具有高容量和优异稳定性的高效铋基阳极电极材料，这仍然是一个突出的挑战。

科学材料站

文章简介

近日，来自青岛科技大学的王磊教授团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Approaching theoretical capacity: 0D/2D amorphous/crystalline Bi-based heterostructures anode for aqueous alkaline rechargeable batteries”的观点文章。本文通过简单的一步还原法成功合成了一种接近理论容量的0D非晶BiOx纳米点嵌入2D铋金属纳米片复合异质结构（BiOx/Bi-nf）。在适量的NaBH₄处理后，Bi³⁺被还原成二维铋金属纳米片（Bi-nf），未完全还原的形成无定形BiOx纳米点嵌入Bi-nf中，形成目标BiOx/Bi异质结构。

该结构具有以下优点:（1）嵌入在二维纳米片中的0D纳米点形成的互连结构，抑制了Bi纳米片聚集形成大块金属材料，并且0D非晶纳米点和超薄纳米片的活性中心被认为是完全可接近的，这有利于实现理论容量;（2）氧空位、非均相界面上的孔隙、非晶结构和相邻二维铋纳米片之间丰富的通道可以加快质量传输速率;（3）二维铋纳米片能显著提高异质结复合材料的导电性。基于以上优点，优化后的BiOx/Bi-nf电极材料在电流密度为1 A g^-1时具有350 mAh g^-1 （1260 F g^-1）的超高比容量，且当电流密度增大10/20倍时，可保持88.3%/79.9%的倍率性能。更重要的是，组装的BCNP//BiOx/Bi-nf器件在功率密度为1.28 kW kg^-1时具有191.64 Wh kg^-1的能量密度，并且在电流密度为10 A g^-1下，经过14,000次循环后电容保持率达80%。

科学材料站

图文导读

图1：一系列铋基电极材料的合成示意图。

图2：BiOx/Bi-nf的（a）扫描电镜；（b）透射电镜；（c）高分辨透射电镜；（d）选区电子衍射和（e）TEM-Mapping图像。

图3：（a）BiOx/Bi-np、BiOx/Bi-nf、Bi-ns、Bi-powder和Bi（PDF#44-1246）标准卡的XRD谱图；（b）BiOx/Bi-np、BiOx/Bi-nf、Bi-ns的N₂吸附/解吸等温线；（c）孔径分布；（d）Bi 4f轨道的高分辨XPS光谱；（e）O 1s轨道的高分辨XPS光谱；（f）EPR曲线。

图4：BiOx/Bi-np、BiOx/Bi-nf、Bi-ns和Bi-powder的（a）15 mV s^-1的CV曲线；（b）1A g^-1的GCD曲线；（c）不同电流密度下的比电容曲线；（d）电化学阻抗曲线；（e）不同频率段的Z′随ω−1/2变化；BiOx/Bi-nf（f）不同扫描速率下的CV曲线；（g）不同电流密度下的GCD曲线；（h）不同扫描速率下BiOx/Bi-nf表面电容过程对扩散控制过程的贡献率；（i）BiOx/Bi-nf的Ragone图。

图5：（a和c）BiOx/Bi-nf电极在6 M KOH中10 A g^-1的充放电曲线；（b）非原位XRD图像；（d）非原位XPS图像。

图7：（a）BCNP//BiOx/Bi-nf器件示意图；（b）15 mV s^-1下BCNP和BiOx/Bi-nf电极的CV曲线；BCNP//BiOx/Bi-nf器件（c）不同电压窗口下的CV曲线；（d）不同扫描速率下的CV曲线；（e）器件不同电流密度下的GCD曲线；（f）不同电流密度/功率密度下的比电容/能量密度图；（g）Ragone图；（h）在10 A g^-1下的循环稳定性和库仑效率；（i）点亮LED的工作图。

科学材料站

文章链接

Approaching theoretical capacity: 0D/2D amorphous/crystalline Bi-based heterostructures anode for aqueous alkaline rechargeable batteries.

https://doi.org/10.1002/adfm.202408203

科学材料站

作者简介

王磊，教授，山东省杰青，博士生导师，2006年于吉林大学获无机化学博士学位。长期从事无机微纳米材料的可控合成及其在绿色能源等相关领域的应用，已在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., ACS Nano, Nano Energy, ACS Cent. Sci，Appl. Catal. B: Environ., Science China Chem.，中国科学、科学通报等国内外重要学术期刊上发表SCI论文四百余篇,其中通讯作者影响因子大于10.0的论文190余篇。作为第一完成人获中国石油和化学工业联合会科技进步奖、中国可再生能源学会科学技术人物奖等奖励。