铋负极材料在相应水系碱性电池中电性能研究.pdf

摘要

水系碱性电池(Aqueousalkalinebattery，AAB)是一种具备能量、功率密度均衡的可

充电储能器件，具有高成本效益、环境友好、高安全性等优点，被认为是很有前景的静

态储能系统。但是AAB的负极容量较低，不能匹配大多数正极材料，造成器件总体输

出性能低。高容量、高倍率负极是解决这一问题的根本途径。铋(Bi)基固体材料显示出

低毒、低氧化还原电位、三电子氧化还原反应、无枝晶现象、高理论容量等特点，较适

AABBiAAB

合用作负极材料。本论文概述了基材料的结构、储能机制及其在中的应

用。合成了一系列Bi基化合物，研究其在碱性介质负电位区间的电化学特性，进而探

讨了该类负极材料在AAB中的储能性能，具体研究内容概括如下：

(1)通过铋盐在溶剂热条件下得到BiOCO前驱体，然后在惰性气氛中退火煅烧制

223

备富含氧空位(O)的BiO材料。材料中O位点的配位不饱和特性有助于化学吸附电解

V23V

OH-BiOBi

质中的，促进23法拉第反应，相邻的低氧化值位点也容易被氧化，更容易在

负极输出电荷；其禁带中引入的缺陷能级可以提高导电性。该O-BiO电极在1Ag-1

V23

时，表现出249mAhg-1的高比容量，在宽的负电位区间内也展示出较高倍率性能(230

-1-1

mAhg，10Ag)，优于大部分已有Bi基负极材料。与CoNi-LDH正极材料进行电池

组装AAB，其输出能量密度和功率密度分别为87Whkg-1和1038Wkg-1。本章节工作

通过O提升BiO负极容量，可为高性能负极材料的设计提供一定借鉴。

V23

(2)NN-(DMF)Bi

通过溶剂热反应水解，二甲基甲酰胺与盐微胶束诱导组装，合成

超薄纳米片组装分级花状结构的甲酸氧铋(BiOCOOH)，构建高效的离子扩散通道，较大

可接触内表面积，探讨了其作为AAB负极材料的电化学性能。由于BiOCOOH电极在

-1~0V宽电位区间的充分三电子氧化还原活性，该电极在1Ag-1时能提供229mAhg-1

-1-1

比电容，在10Ag时，比电容为197mAhg，显示出良好倍率性能。与NiS-MoS/NF

322

-2-2

正极匹配组装AAB，能提供较高面积的能量密度217mWhcm，功率密度661mWcm，

表明该BiOCOOH纳米薄片负极材料可用于高性能AAB。

(3)通过一步溶剂热反应合成得到三元球状BiOBr。该BiOBr材料由交替的[BiO]2+

22

层和Br层组成层状结构，Bi与Br之间存在着强的卤键作用，这种结构不仅诱导了电子-

OH-Br-

空穴对的分离，便于吸附电解液中的，促进电化学过程中的法拉第反应，而且