柔性可快速充放的水系Ni//Bi电池取得新进展

近几年来,水性可充放电池兴起成为一种优异的储能设备因为其环境友好、安全、成本低、能量密度高等优点。遗憾的是目前使用的水性可充放电池的电极材料大部分都是金属氧化物或者氢氧化物,而这些化合物存在导电性差的缺点,导致电池的倍率性能差强人意。而金属铋单质不仅导电性很好,而且在水性溶液中发生高度可逆氧化还原反应,具有合适的负电位工作区间,因此Bi有望发展成为一种水性溶液中高性能的电极材料。然而,金属Bi电极的循环稳定性很差,严重制约了该电极的进一步发展。因此,如何制备具有高容量,高倍率,长循环性能的铋电极是很多科研工作者的研究重点。

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最近,在我院卢锡洪副教授指导下,曾银香和林子琦等同学成功研制了一款柔性可快速充放的水系Ni//Bi电池。通过在碳布上直接可控生长三维单晶Bi纳米结构,不仅可以提供更高的比表面积和更多的活性位点,而且可以极大地提升高倍率下的氧化还原反应速率。因此,这种具有独特单晶三维分层纳米结构Bi材料具有较高的容量,优异的倍率和长循环性能。具体而言,这种Bi电极的比容量高达96.2 mA h g-1;当电流密度从4.5增加到45 A g-1时,仍有94%的容量保持率,表明其很好的倍率性能。此外,这种Bi电极具有极好的循环稳定性,经过10000次充放电循环后仅有4%的容量衰减,这是目前报道的铋基电极中最好的循环性能。原位拉曼结果表明Bi电极在水性溶液中发生的是Bi0Bi3+的可逆氧化还原反应。更重要的是,此工作首次报道了基于Bi电极为负极,NiCo2O4为正极组装的柔性NiCo2O4//Bi水性可充放电池,这种电池具有优异的电化学性能和柔韧性,最大能量密度高达85.8 W h kg-1,最高功率密度达到21 kW kg-1,且可以快速充放电。该工作表明了金属铋是一种很有潜力的水性可充放电池负极材料。相关研究成果发表在国际著名学术期刊《Advanced Materials》上(Yinxiang Zeng, Ziqi Lin, Yue Meng, Yichen Wang, Minghao Yu, Xihong Lu,* and Yexiang Tong, Adv. Mater., 2016, 28, 9188–9195),题为“Flexible Ultrafast Aqueous Rechargeable Ni//Bi Battery Based on Highly Durable Single-Crystalline Bismuth Nanostructured Anode”

上述研究工作得到了童叶翔教授的大力支持和国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金、广东省特支计划科技创新青年拔尖人才项目、广州市珠江科技新星专项等项目的资助等项目的资助。

文章链接:http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201603304/full

 




文章录入:院办      责任编辑:谢志强
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