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（MXeneBi）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MXeneBi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，QSSZIB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MXeneBi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ANew（De）IntercalationMXeneBiCathodeforUltrastableAqueousZincIonBattery（一种用于超稳定水系锌离子电池的新型（脱）插层MXeneBi阴极）为标题发表在国际期刊《AdvancedFunctionalMaterials》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。org10。1002adfm。202214506）
　　图1：电极材料和ZIB的制备
　　a）MXeneBi薄膜的制作步骤。b）水系ZIB的结构图和储能机制。c）QSSZIB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）Bi4fXPS光谱，d）TEM图像，和e）Bi的元素映射图像。f，g）Bi沿〔001〕和〔011〕方向的HAADFSTEM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。MXeneBi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MXeneBi电极的倍率性能。MXeneBi3电极的b）GCD曲线和c）循环稳定性。d）Bi和MXeneBi电极的EIS光谱（插图是拟合等效电路）。MXeneBi3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：MXeneBi3电极在电化学过程中的结构演变
　　a）MXeneBi3电极在0。1Ag1时的GCD曲线。b，c）（a）中不同状态下MXeneBi3电极的非原位XRD图。d）MXeneBi3在完全放电（0。15V）和充电（1。8V）状态下的Zn2p光谱。e）Bi在完全充电（1。8V）状态下沿〔001〕方向的HAADFSTEM图像。f）Bi在完全放电（0。15V）时沿〔120〕方向的HAADFSTEM图像。
　　图5：QSSZIB的电化学性能
　　QSSZIB的a）GCD曲线和b）循环稳定性。QSSZIB在各种c）弯曲角度、d）压力和e）温度下的GCD曲线。f）由QSSZIB驱动的LED、LED阵列和数字定时器。
　　图6：QSSZIB的传感器性能
　　a）QSSZIB压力传感测试示意图。b）压力为0。512N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，fh）实际应用。
　　总之，由MXene和Bi组合而成的独特的MXeneBi3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MXeneBi3正极的水系ZIB显示出178。1mAhg1（0。25Ag1）的高比容量和长寿命，在4500次（2。5Ag1）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QSSZIB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，QSSZIB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12N压力负载和人体活动。该工作表明基于MXeneBi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。