引言
水系電池的研究在近幾年備受廣泛的關注，然而，隨著正極材料的發(fā)展，負極材料的發(fā)展一直停滯不前。Bi金屬作為一種新型的負極材料，具有電位窗口寬、容量高、成本低、環(huán)保等特點，是近幾年研究的熱門材料，但其工作機制一直備受爭議。 目前報道的Bi金屬電極在水系電解液中的機制是氧化還原機制(2Bi0+6OH-?6e-?Bi2O3+3H2O)。該工作利用原位/非原位表征觀察Bi金屬電極在KOH水溶液中的價態(tài)/鍵合/結構變化，全新認識Bi金屬電極在工作過程中的反應機理。 成果展示 近日，吉林大學張偉教授和鄭偉濤教授研究團隊在Journal of Energy Chemistry上發(fā)表題為“Reinventing the mechanism of High-performance Bi Anode in Aqueous K+ Rechargeable Batteries”的文章。該工作追蹤Bi金屬電極在水系KOH溶液中的電化學行為，重新確定Bi金屬電極的反應機制不是氧化還原反應，而是一種合金/脫合金機制。該工作對認識改性高性能Bi金屬負極材料具有參考價值。 圖文導讀 該工作通過氧化還原法在Ni襯底上面生長金屬Bi單質，然后在KOH電解液里面活化后為Bi納米棒。 Bi金屬電極表現出良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在1 A cm-2下達到181.2 mAh g-1，在16 A cm-2下達到147.3 mAh g-1的容量。在2 A cm-2的電流密度下循環(huán)1600圈以后容量保持率達到88.8 %。CV曲線和log(i) vs. log(v) 曲線表明，Bi金屬電極工作是由離子擴散和電子傳導共同控制的。 為了探究Bi金屬電極在KOH中的反應機制，該工作通過原位/非原位表征追蹤Bi電極在不同反應電位下的結構、價態(tài)、鍵合變化。將Bi電極分別放在KPF6、KCl、K2SO4電解液中，Bi電極均表現出活性，通過XPS刻蝕以及TEM/EDS證明Bi電極與陽離子K+發(fā)生相互作用。非原位XRD/Raman分析表明，反應過程中Bi依然保持了單質金屬的特征峰，且未檢測到任何Bi2O3的峰位，觀察到Bi 金屬(012)晶面間距的微弱變化以及Eg和A1g振動模式的移動。這些行為主要是由于K+的插入脫出而導致的。該工作通過XPS進一步驗證Bi金屬與K+作用的反應產物，結合ICP/XPS/CP數據，Bi/K在初始作用過程中是以固溶相Bi(K)形式存在，當循環(huán)到第150圈，Bi/K之間形成強烈的金屬鍵，原子比接近1：3。這些結果表明Bi金屬在工作過程中并沒有發(fā)生氧化還原反應(2Bi0+6OH-?6e-?Bi2O3+3H2O)，而是先轉換為固溶相再轉換為合金相的過程(Bi?Bi(K)?BiK3)。 小結 本文通過原位/非原位表征追蹤Bi金屬電極在反應過程中的工作機理，發(fā)現Bi金屬電極工作并非已經報道的氧化還原反應機制，而是從金屬到固溶相到合金B(yǎng)i?Bi(K)?BiK3反應機制。該工作拓寬了Bi金屬在水系電池中的機制的認識，對研究高性能的Bi電極具有指導意義。 文章信息 J Energy Chem Reinventing the mechanism of high-performance Bi anode in aqueous K+ rechargeable batteries Tingting Qin, Xuefeng Chu, Ting Deng, Boran Wang, Xiaoyu Zhang, Taowen Dong, Zhengming Li, Xiaofeng Fan, Xin Ge, Zizhun Wang, Peng Wang, Wei Zhang*, Weitao Zheng* Journal of Energy Chemistry 48 (2020) 21-28 DOI: 10.1016/j.jechem.2019.12.012
