武漢理工大學-Bi2O3: 水系金屬離子電池電極材料

引語

經過長期研究與發展，鋰離子電池技術已經發展成熟。但為了滿足新的能源需求，安全、環保、可持續的新型電池體系和電極材料的開發迫在眉睫。近些年，一價（Na⁺, K⁺），二價（Mg²⁺,Zn²⁺）以及三價（Al³⁺）離子電池因各金屬離子在儲量和成本上的優勢而向鋰離子電池發起挑戰。水系非鋰金屬離子電池體系更是受到廣泛的關注。然而，水系非鋰金屬離子電池的發展受到諸多限制，同時具有大容量、優越倍率性能、良好充放電平臺的電極材料非常少見，可廣泛用于多種水系電池的電極材料更是鮮有報道。

成果簡介

有鑒于此，武漢理工大學劉金平課題組系統地研究了Bi₂O₃電極材料在十七種水系一價,二價和三價金屬離子電解質中的電化學性能，提出了水系轉換反應機制。在中性Li⁺電解質中電極展現出高比容量（0.72 C，357 mAh g^-1 ), 優異的循環性能和倍率性能（217 C，75 000 mA g^-1)。通過與傳統Li⁺嵌入電極（LiMn₂O₄）搭配, 水系LiMn₂O₄ / / Bi₂O₃全電池展現出高循環穩定性，低自放電率和高能量密度（~78 Wh kg^-1),優于傳統的水系鋰離子電池(<50 Wh kg^-1)。

圖文導讀

圖1?Bi₂O₃電極的結構和形貌表征。(A)XRD的譜圖。Ti基和δ-Bi₂O₃作為參比。(B)低分辨率的掃描電鏡圖。(C)高分辨率掃描電鏡圖像顯示超薄彎曲的邊緣（10-12 nm)。

圖2 電化學行為和性能。Bi₂O₃電極在1 mV s^-1下的CV曲線，由圖可說明氯鹽電解質比硝酸和硫酸鹽電解質電化學性能差。

(A)在1 Mol KNO₃電解質，電勢范圍-1.1~1 V;

(B)在1 Mol MgCl₂電解質，電勢范圍-1.2~1 V;

(C)在1 Mol?AlCl₃電解質，電勢范圍-0.5~1 V;

(D)15種不同金屬離子鹽溶液電解質的倍率性能;

(E-G)1 Mol?KNO₃, MgCl₂, Al(NO₃)₃電解質的恒電流充放電性能。

圖3?Bi₂O₃電極電化學分析。分析不同電解質對電化學動力學影響。初始CV曲線(A)硫酸鹽電解質;(B)硝酸鹽電解質;(C)鋰鹽電解質。陽離子水合能大小(D)堿金屬硫酸鹽;(E)堿土硝酸鹽;(F)鋰鹽。(G)OH^-擴散系數和電解質塔菲爾斜率的變化。

小結：

電勢大小：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-

圖4 混合鋰電解質的倍率性能和循環穩定性。(A)不同電解質倍率性能對比。插圖對應是不同掃速下混合鋰電解質的循環伏安圖。(B)倍率性能。(C)循環性能。

圖5 電荷存儲機理分析。

該圖說明電極的變化為a-Bi₂O₃—Bi²⁺—Bi⁰.

電化學反應：Bi₂O₃?+ 3H₂O +6e^-?2Bi⁰?+ 6OH^-

圖6?全電池電化學性能表征。較好的倍率和循環性能預示著該材料大規模實際應用的可能性。

（A)LiMn₂O₄正極和Bi₂O₃負極對應。(B)LiMn₂O₄//Bi₂O₃充放電電壓。(C)循環穩定性。(D)不同電流密度下的放電電壓曲線（平臺明顯）。(E)倍率性能。(F)自放電曲線。

展望

這項工作為未來水系可充電金屬離子電池提供了基于轉換反應的新型電極材料，相信也會將低成本、可持續的電化學儲能技術向前推進一大步。

劉金平教授簡介

劉金平，博士，武漢理工大學教授，青年拔尖人才。獲湖北省杰出青年人才基金資助（2013），SCOPUS青年科學家之星（2010），Elsevier“中國高被引學者”（2014、2015）。圍繞“陣列化納米儲能電極與器件”相關的基礎科學問題，迄今在Adv.?Mater.系列，Nano?Lett.,?Energy?&?Environ.?Sci.等期刊上發表SCI論文90余篇，被Nature Energy等SCI他引6000余次，H指數44。其中，15篇論文被評為全球ESI高被引（1%）或熱點（0.1%）論文。承擔科技部納米科技重點專項、國家自然科學基金面上項目、湖北省杰青等項目。

詳見：http://www.webjam.com/jinpingliu。

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

感謝劉金平教授對文章提出了中肯的修改意見，感謝劉教授對科研工作嚴謹的態度以及材料人編輯團隊工作的重視，日后我們定加倍認真處理有關報道，對給劉教授以及相關工作人員帶來困擾，材料人網深表歉意。

該文獻導讀由材料人新能源學術小組Amanda供稿，材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。