Version of record online: 04 May 2020
湖南大学
导读
作者通过对优质钾离子电池（PIBs）负极的元素工程研究，建立了具有新颖的双金属氧氯（Bi和Sb基氧氯）纳米片的二维范德华异质结构。并深入探索了这类二维范德华异质结构的性质，包括用于形貌控制的元素工程、异质结构各组成部分的功能、钾离子的储存机制，以及钾离子的嵌入过程伴随着晶格畸变和化学键断裂。这项研究不仅为PIBs的实际应用铺平了道路，而且对揭示二维范德华异质结构中钾离子存储的基本原理具有重要意义。
背景简介
1. 提高钾离子存储容量的新机制
钾离子电池是储能系统中最有前途的技术之一，与锂离子电池具有高丰度、具有竞争力的成本和相似的工作机理，最近引起了极大的关注。PIB的负极可能涉及一种与正极不同的吸引人的机制来存储钾离子，合金化反应，这些反应能够提供高容量。然而，PIB合金型负极的开发尚处于早期阶段，遇到了长期不稳定和倍率性能受限的问题，这可能归因于固体电极中K+的大尺寸和低离子扩散动力学。为了解决这些问题，新型材料和设计良好的结构能够增强钾离子扩散动力学，能承受大的体积变化，并提供高的电子传导性。
2. 二维范德华异质结构在电池中的应用
在生物晶体的元素工程中，在周期表中引入化学性质相似、理论容量远高于Bi的属于同一Bi族的Sb是合理的。考虑到BiOCl的低导电性，还原氧化石墨烯（rGO）纳米片可以作为van der Waals异质结构的另一个合适组成部分，通过柔性结构的收缩和上升来增强电荷转移，进一步缓解合金反应的体积变化
图1. 二维van der Waals异质结构中钾化/去钾化过程的路线
文章介绍
更重要的是，作者通过非操作材料表征、电化学技术、操作X射线衍射（XRD）和密度泛函理论（DFT）计算应用去全面理解这种2D范德华异质结构的性质。例如Bi、Sb和Cl元素对实现2D范德华异质结构的影响der Waals异质结构2D-vanderwaals异质结构各组成部分的功能、钾离子的储存机制以及K+的详细插层过程与晶格畸变和化学键的解理。因此，本研究对于了解二维范德华异质结构在元件工程中的发展以及这种异质结构在PIBs中的工作机制具有重要意义。
图2. 二维范德华异质结构形貌及元素分析
Illustration of a) the top view and b) cross section view of 2D van der Waals heterostructures with Bi- and Sb-based bimetallic oxychloride nanosheets well dispersed on rGO nanosheets.
c) Demonstration of the relative intensity of van der Waals force between various assembling of NP (nanoparticle) and NS (nanosheet).
d) Low magnification and
e) high magnification TEM image of Bi0.52Sb0.48OCl nanosheets.
f) Low magnification and
g) high magnification TEM images of 2D van der Waals heterostructures of Bi0.51Sb0.49OCl/rGO with the inset of HRTEM image.
h) XRD pattern of Bi0.51Sb0.49OCl/rGO after removing background.
i). Raman spectrum of Bi0.51Sb0.49OCl/rGO.
j) HAADF-STEM image and EDS mappings of 2D van der Waals heterostructures of Bi0.51Sb0.49OCl/rGO.
图3. 二维范德华异质结构电化学性能
a) CV of 2D van der Waals heterostructures of Bi0.51Sb0.49OCl/rGO after 10 and 40 cycles at a current density of 100 mA g−1.
b) Charge/discharge curves of 2D van der Waals heterostructures of Bi0.51Sb0.49OCl/rGO at various current densities.
c) Rate performance of BiOCl/rGO, Bi0.63Sb0.37OCl/ rGO, Bi0.51Sb0.49OCl/rGO, and Bi0.24Sb0.76OCl/rGO.
d) The continuous test at 100 mA g−1 after rate performance in (c).
e) Comparison of the cycling performance, discharge plateau, and specific capacity, between the 2D van der Waals heterostructures of Bi0.51Sb0.49OCl/rGO and other reported electrodes for KIBs with at least 500 cycles (K2TP means dipotassium terephthalate, CF represents carbon foam, NF is nanofiber, and PAA N-RGO stands for polyantimonic acid (PAA) nano-octahedra in a composite with nitrogen-doped reduced graphene oxide).
图4. 晶格结构示意
The lattice structure of a) BiOCl,
b) half Bi atoms within BiOCl replaced with Sb atoms (Bi0.5Sb0.5OCl),
c) Bi0.5Sb0.5OCl with the insertion of the 1st K+ ion, and
d) the insertion of the 2nd K+ ion into Bi0.5Sb0.5OCl
文章链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000884
导师简介:
鲁兵安，2012年获得兰州大学物理学博士学位。2012年加入湖南大学物理与微电子科学学院，2014年-2015年斯坦福大学化学系访问学者，师从世界著名化学家戴宏杰教授。2012年博士毕业后来湖南大学工作，现为该校物理与微电子科学学院教授。2014年5月，在国家留学基金委的支持下，以访问学者的身份前往美国斯坦福大学化学系戴宏杰课题组进行为期一年的交流访问
信息来源：湖南大学官网
http://grjl.hnu.edu.cn/p/9DA72EA2CF772E91B1AC6979D2994150
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