【研究背景】
由於低成本、高安全性、環境友好和離子導電性高等優點，水系電池受到研究者的廣泛關註。基於金屬（Na+, K+, Zn2+, Mg2+）和非金屬（H+, pO+, Np+）的電荷載體，各種水系電池已經被報道。其中鋅離子電池（ZIBs）和銨根離子（AIBs）電池由於多方面的優勢被認為是極具潛力的大規模儲能系統。
在ZIBs和AIBs中，大量的正極材料已經相繼報道。調研發現，一些材料在經過不同的修飾方法後，可以在ZIBs和AIBs中分別展示出優異的效能，如：α-MnO2和VO2。然而非金屬負極同時套用在ZIBs和AIBs中的研究較少，PTCDI的報道證明了開發雙功能非金屬負極的可行性。具有層狀結構的鉍基化合物分別在ZIBs（BiOXs, Bi2O2CO3, BiOIO3）和AIBs（BiSeO5）中得到套用。這說明鉍基材料有成為雙功能材料的可能。
【成果簡介】
近日，湘潭大學龍碑副教授和湖南農業大學吳雄偉教授在國際知名期刊Advanced Functional Materials上發表題為「Se Vacancy Activated Bi2Se3 Nanodots Encapsulated in Porous Carbon Nanofibers for Aqueous Zinc and Ammonium Ion Batteries」的文章。該文章使用靜電紡絲法制備碳纖維包覆Bi2Se3納米點的復合材料。實驗結合理論研究證明，納米點和硒缺陷改善了Zn2+和Np+的傳輸和儲存。迴圈過程中，Bi2Se3納米點被限定在碳纖維中，並且非原位表征證明Bi2Se3的嵌入機制。因此，該電極在ZIBs和AIBs中展示出高容量和長壽命。而且電極在18 mg cm-2的高載量也能展示出優異的效能。ZIBs和AIBs全電池進一步證明其套用價值。這篇文章為設計雙功能的電極材料提供了一個參考。
【研究內容】
基於第一性原理的計算發現，硒缺陷改善了Bi2Se3的電荷和離子傳輸。
圖1 Bi2Se3和Bi2Se3-x的理論計算
透過靜電紡絲和硒化策略成功制備Bi2Se3納米點嵌入碳纖維中的復合材料，XRD、RAMAN、XPS、SEM和TEM等表征證明了Bi2Se3 NF的成功制備。
圖2 Bi2O3 NF和Bi2Se3 NF的表征
在ZIBs中，低載量電極（6 mg cm-2）在0.05 A g-1電流下的容量為270 mA h g-1，且在10 A g-1電流下迴圈20 K圈後的容量保持率為60%。高載量電極（12和18 mg cm-2）仍然展示出高容量和長迴圈穩定性。
圖3 Bi2O3 NF和Bi2Se3 NF在ZIBs中的套用
在ZIBs中，非原位XRD和XPS等表征證明了Bi2Se3 NF的嵌入型機制。SEM和不同電解液中的三電極測試揭示了H+/和Zn2+的共嵌入反應過程。
圖4 Bi2Se3 NF在ZIBs中的儲能機理研究
在AIBs中，低載量電極（6 mg cm-2）在0.05 A g-1電流下的容量為192 mA h g-1，且在2 A g-1電流下迴圈9 K圈後的容量保持率為78%。高載量電極（12和18 mg cm-2）仍然展示出高容量和長迴圈穩定性。非原位XRD和XPS等表征證明了Bi2Se3 NF的嵌入型機制。
圖5 Bi2Se3 NF在AIBs中的效能測試和儲能機理研究
Bi2Se3 NF//Na2/3Ni1/3Mn2/3O2和Bi2Se3 NF//LiMn2O4全電池在0.05 A g-1電流下分別展示出120和90 mA h g-1的可逆容量。
圖6 全電池測試和套用
【文章總結】
綜上所述，本工作透過靜電紡絲和硒化處理成功制備了Bi2Se3 NF。電化學測試和DFT計算證明，納米點和硒缺陷設計改善了Zn2+和Np+的傳輸和儲存。在迴圈過程中，Bi2Se3納米點被限定在多孔碳纖維中，多種非原位表征證明Bi2Se3在ZIBs和AIBs中的嵌入機制。受益於多方面優勢，該電極在ZIBs和AIBs中展示出高容量（270和192 mAh g-1）和長壽命（20 K和9 K圈）。而且電極在18 mg cm-2的高載量也能展示出優異的效能。ZIBs和AIBs全電池進一步證明其套用價值（120和90 mA h g-1）。這篇文章證明了設計儲存Zn2+和Np+雙功能電極的可行性。
【文獻資訊】
B. Long, X. Ma, L. Chen, T. Song, Y. Pei, X. Wang, and X. Wu, Se Vacancy Activated Bi2Se3 Nanodots Encapsulated in Porous Carbon Nanofibers for Aqueous Zinc and Ammonium Ion Batteries, Adv. Funct. Mater. 2024, 2411430.
https://doi.org/10.1002/adfm.202411430
文章來源：儲能科學與技術
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