安徽大学一团队合成新型电池正极材料

文章摘要

新兴的水系锌离子电池(ZIBs)以其低成本、安全、环保等独特优势受到广泛关注和研究。然而，开发合适的正极材料以提高电池性能仍然是一个重大挑战。在此，安徽大学王思亮副教授&岳阳副教授&曾玮副教授团队的科研人员首次将一种新型的MXene和Bi复合材料(MXene/Bi)用作ZIBs的(脱)嵌阴极。

分散在复合材料中的MXene纳米片大大提高了电极的导电性和亲水性，并防止了二维Bi碎片在充放电过程中的堆积和体积膨胀。实验结果表明，复合MXene/Bi电极具有显著的容量和超长的寿命。同时，通过大量的电化学测试和非原位表征，揭示了ZIBs良好的动力学和(脱)插储能机制。还构建了准固态(QSS)ZIB，显示出优越的电化学性能、柔韧性、耐压性和耐热性。此外，QSS ZIB可直接作为自供电压力传感器，根据响应电流实时监测外界压力。这项研究不仅证明了MXene/Bi是ZIBs的潜在阴极，而且为探索和设计下一代高性能多功能ZIBs提供了一条可行的途径。

这一研究以“A New (De)Intercalation MXene/Bi Cathode for Ultrastable Aqueous Zinc-Ion Battery”（一种用于超稳定水系锌离子电池的新型(脱)插层MXene/Bi阴极）为标题发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上，安徽大学王思亮副教授&岳阳副教授&曾玮副教授为共同通讯作者。（原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214506）

图1：电极材料和ZIB的制备

a)MXene/Bi薄膜的制作步骤。b)水系ZIB的结构图和储能机制。c)QSS ZIB的结构图和压力传感机制。

图2：材料表征

a)XRD图，b)XPS测量光谱，c)Bi 4f XPS光谱，d)TEM图像，和e)Bi的元素映射图像。f,g)Bi沿[001]和[0-11]方向的HAADF-STEM图像(右上图是相关的FFT模式)。h)Bi的SEM图像。MXene的i)TEM图像和j)元素映射图像。MXene/Bi电极的k)表面SEM图像(右上图是相关的横截面SEM图像)，l)元素映射图像和m)XRD图。

图3：水系ZIB的电化学性能

a)Bi和MXene/Bi电极的倍率性能。MXene/Bi-3电极的b)GCD曲线和c)循环稳定性。d)Bi和MXene/Bi电极的EIS光谱(插图是拟合等效电路)。MXene/Bi-3电极的e)CV曲线，f)CV曲线中两个峰的Log(i)与log(v)图，g)CV曲线的电容贡献率，h)GITT曲线，以及i)锌离子扩散系数。

图4：MXene/Bi-3电极在电化学过程中的结构演变

a)MXene/Bi-3电极在0.1 A g-1时的GCD曲线。b,c)(a)中不同状态下MXene/Bi-3电极的非原位XRD图。d)MXene/Bi-3在完全放电(0.15 V)和充电(1.8 V)状态下的Zn 2p光谱。e)Bi在完全充电(1.8 V)状态下沿[001]方向的HAADF-STEM图像。f)Bi在完全放电(0.15 V)时沿[120]方向的HAADF-STEM图像。

图5：QSS ZIB的电化学性能

QSS ZIB的a)GCD曲线和b)循环稳定性。QSS ZIB在各种c)弯曲角度、d)压力和e)温度下的GCD曲线。f)由QSS ZIB驱动的LED、LED阵列和数字定时器。

图6：QSS ZIB的传感器性能

a)QSS ZIB压力传感测试示意图。b)压力为0.5-12 N时的响应电流变化曲线。c)响应电流变化与压力的关系。传感器的d)响应时间，e)循环稳定性，f-h)实际应用。

总之，由MXene和Bi组合而成的独特的MXene/Bi-3复合结构不仅有效地防止了二维MXene纳米片和Bi碎片的重新堆叠，而且还减少了Bi碎片在电化学反应过程中的体积膨胀。此外，复合结构中的MXene大大提高了电极材料的导电性，促进了电子和锌离子的转移。因此，基于MXene/Bi-3正极的水系ZIB显示出178.1 mAh g-1(0.25 A g-1)的高比容量和长寿命，在4500次(2.5 A g-1)循环后容量没有显著衰减。CV、GITT、XRD、XPS和TEM测试证明了存储机制和动力学。此外，柔性QSS ZIB不仅表现出高电化学性能，还具有出色的环境适应性。充电后，QSS ZIB可作为自供电电化学压力传感器，根据响应电流强度区分0.5和12 N压力负载和人体活动。该工作表明基于MXene/Bi电极的ZIB系统具有巨大的应用潜力，也为探索和设计其他更优异的ZIBs提供了参考。