博文
新加坡国立大学：Bi2S3基水系锌离子电池
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Bi2S3 for Aqueous Zn Ion Battery with Enhanced Cycle Stability
3 正极材料Bi2S3中的能量存储机理与锌离子的可逆嵌入/脱嵌反应和电容贡献有关。 内容简介 采用简单的化学反应与真空煅烧相结合的策略制备Bi2S3纳米颗粒。XRD结果表明Bi2S3纳米颗粒展示出高的结晶程度，且所有的衍射峰可以与正交晶系Bi2S3的标准卡片相匹配。Bi2S3纳米颗粒层中的足够层间距为外来离子储能行为的扩散和占用提供了路径。XRS图谱证实了所制备的材料由Bi和S元素所组成，碳和氧信号来自于基准样品和吸附氧。TEM图像表明Bi2S3为尺寸10-50 nm的纳米颗粒形貌，这种纳米结构可以抑制离子插层和脱层过程中的体积膨胀。 通过对Zn/Bi2S3电池的阻抗曲线进行等效电路拟合可以发现，其具有低的等效串联电阻、电荷传输电阻和Zw电阻，这也证明了电池内部的快速电化学反应动力学行为。这种快速的电化学反应动力学可能是因为Zn2+在S2-上具有较低的静电吸附从而实现了Zn2+的快速扩散。为了进一步探究Bi2S3电极上的电化学动力学过程，作者们研究了电池在不同扫速下的CV曲线。通过电化学计算分析可以得到，3个氧化还原峰的log(峰电流)-log(扫速)曲线斜率依次为0.81、0.91和0.91，这表明了伴随着表面电容效应的离子扩散行为控制着Zn/Bi2S3电池的电化学动力学过程，随着扫速的增加电容的贡献也越来越占主导控制因素。 通过对比ZnSO4·3Zn(OH)2·4H2O的标准XRD卡片和充放电过程中不同电压状态下的Bi2S3电极极片的XRD可以发现在放电过程中Bi2S3电极极片上个有ZnSO4·3Zn(OH)2·4H2O生成，当电池充满电至1.2 V时ZnSO4·3Zn(OH)2·4H2O消失。这一结果表明了在电池充放电过程中ZnSO4·3Zn(OH)2·4H2O的生成和分解是可逆的。同时，通过对充放电过程中不同电压状态下的Bi2S3电极极片的XPS图谱分析也得出了同样的结论。在1023.3/1046.3 eV处的峰可归于Zn2+插入Bi2S3层间所引起的，其强度随充放电过程而变化的现象也证实了Zn2+在Bi2S3层间的嵌入/脱嵌的电化学反应是可逆的。通过对电极极片的TEM图像分析了Bi2S3电极的结构变化。从完全放电状态下的Bi2S3电极极片的TEM图像中可以观察到ZnSO4·3Zn(OH)2·4H2O的平面间距为 1 nm的晶格条纹，再一次表明了放电过程中ZnSO4·3Zn(OH)2·4H2O的生成。同时也可以观察到Bi2S3的平面间距为0.61 nm的晶格条纹，这与没有参与电化学反应的Bi2S3的晶格条纹的平面间距 (0.503 nm)相比是变大的，这种晶格间距的增大可能来自于Zn2+的插入。 总的来说，本文设计的Bi2S3电极具有较高的锌离子储存性能，快速的反应动力学，较高的电池容量和优异的长期循环稳定性，为大规模储能提供了一种潜在的安全、耐用和低成本的装置。 图4 Zn/Bi2S3电池(a)在0.2 A/g电流密度下的充放电曲线；(b)图a)所选不同电压状态下的原位XRD谱图；(c)图a)所选不同电压状态下的Zn的2p轨道XPS谱图；(d和e) ZnSO4·3Zn(OH)2·4H2O的TEM图像；(f和g) 在完全放电状态下Bi2S3电极的TEM图像。 Junmin Xue 本文通讯作者 新加坡国立大学 材料科学与工程系副教授 多篇论文发表在国际知名纳米和功能材料学术期刊上包括ACS Appl. Mater. Interfaces, Journal of Materials Chemistry A, Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Nanoscale, Nano Energy, Advanced Functional materials等。共发表SCI论文230余篇，累计引用＞7400，H指数53。 ▍Email: msexuejm@nus.edu.sg 撰稿：《纳微快报》编辑部 编辑：《纳微快报》编辑部 E-mail：editorial_office@nmletters.org
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