吉林大学郑伟涛团队EnSM: 水系Bi金属电极碱金属离子储能机制的研究

水系碱金属离子电池因其高安全性、低成本、易组装等优点受到了广泛的研究。开发存储碱金属离子（Li⁺、Na⁺和K⁺）的高容量、高倍率性、高稳定性的电极材料是水系碱金属离子电池的研究重点。铋（Bi）金属作为一种（脱）合金机制的电极材料，具有高的理论容量（385 mAh g⁻¹）、低的还原电位 (~ −0.8 V vs. SCE )、无毒、无枝晶、无记忆性等优势，在近年受到广泛关注。然而，Bi金属对于Li⁺、Na⁺和K⁺的存储行为和性能表现出很大差异性。

Fig.1典型的存储碱金属离子的负极材料氧化还原电位比较

【文章要点】

近日，吉林大学材料科学与工程学院郑伟涛团队在自然基金委重点项目资助下，于Energy Storage Materials期刊上发表了题为“Mechanistic Insights into the Electrochemical Li/Na/K-ion Storage for Aqueous Bismuth Anode”的研究论文。该工作通过ex-XANES, SXES, HRTEM和 DFT比较了Bi金属对碱金属离子（Li⁺、Na⁺和K⁺）存储（脱）合金行为和性能的差异。结果表明，Bi金属表现出优越的储K⁺（220 mAh g⁻¹ @ 8 A g⁻¹）和Na⁺ (245 mAh g⁻¹ @ 8 A g⁻¹) 比容量，然而储Li⁺比容量只有26 mAh g⁻¹（2 A g⁻¹)；Bi金属在Na⁺电解液表现出最优良的循环稳定性，而在K⁺和Li⁺电解液中容量衰减严重。Bi金属储Li⁺性能差是由于Bi金属电极与Li⁺之间存在过大的吸附能，Li⁺在Bi金属中快速动力学慢，同时不可逆的LiBi合金残留于电极中。半径最大的K⁺导致Bi电极的体积膨胀严重，导致稳定性差。由于Bi和Na⁺之间具有适宜的相互作用强度和反应动力学，Bi在Na⁺存储方面表现出优异的性能。本文第一作者是吉林大学博士生秦婷婷和广东工业大学张文礼教授，通讯作者为吉林大学张伟教授、樊晓峰教授和郑伟涛教授。

【图文导读】

Fig.2 Bi金属电极对于Li⁺、Na⁺和K⁺存储性能对比图

Fig.3 Bi金属电极在锂化和脱锂态下的结构演变

Fig.4 Bi金属电极对Li⁺、Na⁺和K⁺的吸附位点和吸附能计算

Fig.5 Bi金属电极在不同电位下软X射线谱图（SXES）和X射线近边吸收谱（XANES）

参考文献

Tingting Qin, Wenli Zhang, Yue Ma, Wei Zhang, Taowen Dong, Xianyu Chu, Tian Li, Zizhun Wang, Nailin Yue, Hongyan Liu, Lirong Zheng, Xiaofeng Fan, Xingyou Lang, Qing Jiang, Weitao Zheng, Mechanistic Insights into the Electrochemical Li/Na/K-ion Storage for Aqueous Bismuth Anode, Energy Storage Materials (2021), doi: 

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.11.032.