Interfacial Engineering of Bi2Te3/Sb2Te3 Heterojunction Enables High-Energy Cathode for Aluminum Batteries

Yiqun Du，Boya Zhang，Wenyang Zhang，Huixin Jin，Jingyu Qin，Jiaqi Wan*，Jianxin Zhang*，Guowen Chen*

Energy Storage Materials(2021).

Doi:10.1016/j.ensm.2021.03.012

在众多新兴电池技术中，铝由于其自然丰度高（铝为82000 ppm，锂为18 ppm），可充电铝电池（RAB）被认为是从便携式电子行业到电动汽车应用的有前途候选者。铝电池容量高（铝为8035mAh cm-3，锂为2080mAh cm-3），并且铝具有出色的空气稳定性。但是铝离子电池（AIB）也存在严重的缺陷，即由于具有高电荷密度的Al3+将与主体晶格发生强烈的库仑相互作用，从而导致缓慢的固态扩散。因此，探索用于RAB的可靠正极材料是一项严峻的挑战。受益于其结构丰富，高容量和高电子导，过渡金属硫族化物（TMC），包括过渡金属硫化物，过渡金属硒化物和过渡金属碲化物，已成为RAB正极材料的最佳候选者。但是TMC缓慢的反应动力学和较差的循环稳定性是在RAB中实际应用的重要阻碍。

近日，山东大学陈国文教授和张建新教授联合攻关，报道了一种具有异质结构的Bi2Te3/Sb2Te3纳米薄片，其在Bi2Te3和Sb2Te3之间具有很强的界面相互作用，从而克服了RAB的氧化还原动力学缓慢和正极性能较差方面的问题。研究发现与机械混合法制备结构相比，构造异质结的策略由于两相的紧密结合使Bi2Te3/Sb2Te3具有更高的容量。此外，Bi2Te3/Sb2Te3异质结的界面工程可改善正极的电子电导率和离子扩散系数。 还揭示了异质结构的Bi2Te3/Sb2Te3正极的充放电原理是Al3+嵌入脱出伴随着Bi元素的价态转变。因此，基于Bi2Te3/Sb2Te3异质结构的RAB，在1A g-1的电流密度下经过300个循环，仍可提供203mA hg-1的高容量。该研究成果以“Interfacial Engineering of Bi2Te3/Sb2Te3 Heterojunction Enables High-Energy Cathode for Aluminum Batteries”为题发表在《Energy Storage Materials》。

图1.异质结构Bi2Te3/Sb2Te3纳米薄片的（a）XRD图谱。（b）SEM和（c-f）EDS图像。（g）TEM，（h）HRTEM，和（i）SAED。

要点

异质结构Bi2Te3/Sb2Te3的纳米薄片具有两相之间更紧密的结合，更小的比表面积和更强的疏水特性，可减少电极与电解质之间的有效接触面积，从而最大程度地减少副作用并减少进入电极的电解质量，最终提高了库仑效率，循环稳定性和能量密度。异质结构之间的强界面相互作用可以改善电荷转移和电极结构的稳定性。

图2.异质结构Bi2Te3/Sb2Te3正极的电化学循环倍率性能。

要点

异质结构的Bi2Te3/Sb2Te3正极的电压平台高于大多数用于铝电池的过渡金属硫属元素化物的电压平台。异质结构在Bi2Te3和Sb2Te3之间具有牢固的界面相互作用，这是可逆容量和循环稳定性的提高本源，而且还可以促进电极的结构稳定性。

图3.异质结构Bi2Te3/Sb2Te3正极的CV，赝电容，电化学阻抗测试。

Bi2Te3/Sb2Te3异质结构在RAB中的反应机理：

图7.异质结构Bi2Te3/Sb2Te3正极的理论计算差分电荷密度，态密度，铝离子吸附能。

要点

差分电荷密度表明Bi2Te3/Sb2Te3异质结构会产生强界面电场从而加速电子转移。态密度（DOS）计算结果表明Bi2Te3/Sb2Te3异质结在三种材料中具有最窄的带隙，同样证实了Bi2Te3/Sb2Te3异质结构的界面工程有效地促进了电极的电子导电性。Bi2Te3/Sb2Te3异质结构与Al³⁺有适中的结合能，从而确保Bi2Te3/Sb2Te3异质结可以捕获一定量的铝离子，而不会对铝离子扩散产生不利影响。

总而言之，在这项工作中，异质结构的Bi2Te3/Sb2Te3纳米薄片被合成并用作可再充电铝电池的正极。与机械混合法相比，Bi2Te3/Sb2Te3异质结在两相之间具有强烈的界面相互作用的界面工程使正极具有更高的电导率，离子扩散系数和可逆容量。原位测试证实具有异质结构的Bi2Te3/Sb2Te3正极随着Al³⁺的嵌入脱出伴随着Bi的价态变化。基于Bi2Te3/Sb2Te3异质结构的RAB实现了高容量（在300次循环时电流密度为1A g-1时，容量达到203mAh g-1）以及优异的倍率性能（3000次循环后电流密度为5A g-1时，容量达到了101mAh g-1）。