水系碱性可充电电池具有便携、经济性和内在安全性高的优势，但其性能(能量密度、功率密度和使用寿命等)却严重受电极材料的影响。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。
青岛科技大学王磊教授团队采用简单的一步还原法，通过调控NaBH4的含量成功合成了一种接近理论容量的0D非晶BiOx纳米点嵌入2D铋金属纳米片异质复合结构(BiOx/Bi-nf)。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%。其成果以“Approaching theoretical capacity: 0D/2D amorphous/crystalline Bi-based
heterostructures anode for aqueous alkaline rechargeable batteries”在期刊Advanced Functional Materials上发表。本文第一作者为青岛科技大学研究生王笑东，通讯作者为青岛科技大学王磊教授和肖振宇副教授，通讯单位为青岛科技大学。
⭐0D/2D非晶/晶相BiOx-Bi异质结构的容量接近理论值。
⭐嵌入的非晶BiOx纳米点可以抑制超薄Bi纳米片的聚集。
⭐丰富的多孔通道和异质结构的不饱和配位提供了快速的离子迁移动力学。
⭐BiOx/Bi-nf电极在1 A
g-1时的容量为350 mAh g-1(1260
F g-1)近乎理论容量。
图1. 仿生自识别层的设计与功能
![]()
▲通过调控NaBH4的含量制备了BiOx/Bi-np、BiOx/Bi-nf和Bi-ns电极，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。
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。▲BiOx/Bi-nf显示出层次化的多孔结构，它是由一系列褶皱和超薄的二维(2D)纳米片构成的。TEM图像进一步证实了BiOx/Bi-nf是由许多二维纳米片构建的，但在每个纳米片上嵌入了一些不规则的纳米点。HRTEM图像显示，所涉及的纳米点呈非晶结构，且存在大量的晶格缺陷。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。▲BiOx/Bi-np、BiOx/Bi-nf和Bi-ns的XRD谱图均在27.17°、37.95°、39.62°、48.69°和55.64°处出现了几个微弱的特征峰，分别对应于Bi(PDF#44-1246)的(012)、(104)、(110)、(202)和(024)晶面，证实了金属铋相电极材料的成功制备。此外，BiOx/Bi-np和BiOx/Bi-nf的Bi
4f和O 1s光谱中Bi0、Biσ+以及Ov的存在证明了BiOx的形成。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。▲BiOx/Bi-nf电极较长的充放电时间，说明材料良好的电化学储能行为。经计算得到BiOx/Bi-nf电极容量为350
mAh g-1(1260 F g-1)，高于BiOx/Bi-np(247.2
mAh g-1)、Bi-ns(266.7 mAh g-1)和Bi-Powder(91.3
mAh g-1)。此外，在相同条件下，BiOx/Bi-nf电极的比电容优于之前报道的大多数Bi基电极材料，表明0D/2D非晶/结晶BiOx-Bi异质结构的优势。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。▲通过非原位XRD和XPS表征，证实了BiOx/Bi-nf电极的储能机制为Biσ+↔Bi0之间的氧化还原过程。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。▲不同扫描速率下的CV曲线(电压窗口0~1.6 V)形状的高度相似性表明该装置具有良好的电化学可逆性。不同电流密度下的GCD曲线进一步评估了器件的卓越电容存储能力。根据GCD结果，计算出该器件在1 A g-1电流密度下的比容量为149.8 mAh g-1(337 F g-1)，在10 A g-1电流密度下的电容保持率为80.0% (119.72 mAh g-1)(图7e)。在功率密度为1.28 kW kg-1时，器件显示出191.64 Wh kg-1的超高能量密度，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%(图7f和7h)。本工作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%。
Approaching theoretical capacity: 0D/2D
amorphous/crystalline Bi-based heterostructures anode for aqueous alkaline
rechargeable batteries.
Xiaodong
Wang, Fengming Zhou, Qiuyue, Liang, Qi Zhang, Yujing Zhu, Zhenyu Xiao*,
Lei Wang*, Adv.
Funct. Mater.
https://doi.org/10.1002/adfm.202408203
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。水系储能 Aqueous Energy Storage 声明![]()
本公众号 AESer 致力于报道水系储能前沿领域的相关文献快讯，如有报道错误或侵权，请尽快私信联系我们，我们会立即做出修正或删除处理。感谢各位读者的支持与宣传，同时欢迎广大科研人员投稿与合作，具体事宜可发送邮件至aqueousenergystor@126.com，或添加下方小编微信，我们将在第—时间回复您。
