摘要
水系锌离子电池（ZIBs）由于其低的氧化还原电位（-0.762V vs Zn/Zn2+)、锌资源的储量丰富和稳定性好，已被公认为是优异的可充电金属离子电池。目前,水系锌离子电池是用金属锌作为负极，但是，金属锌作为负极存在很多问题，例如:电池在充放电过程由于电场分布不均匀，导致锌表面会发生锌离子的电沉积和表面能趋于最小化，从而产生锌枝晶，枝晶会刺穿隔膜并造成电池短路，阻碍了水系锌离子电池优异性能的实现和实际的运用。因此，寻找循环稳定性好的新型负极材料来代替金属锌，是获得高性能水系锌离子电池的一个重要研究课题。在我们之前的工作中，已经发现含有一个(Bi2O2）2+层和两个X-层的特殊层状结构的BiOXs（X=Br、I）是一类优秀的“摇椅”AZIB负极，由此可以推断，其它具有类似层状结构的铋基材料也可能是优秀的锌离子电池的阳极，因此，本文主要选取了层间距较大的BiOIO3、BiOCl、Bi2O2CO3作为水系锌离子电池负极材料，并且研究了其性能，通过金属离子掺杂以及与锌离子导体复合对电极材料进行优化，提升其在水系锌离子电池中的比容量、循环寿命和倍率性能，促进其实际运用。具体工作如下: （1）采用水热法制备BiOIO3和BiOIO3@Zn3（PO4）2·4H2O负极材料。制备的BiOIO3和BiOIO3@Zn3（PO4）2·4H2O具有纳米结构尺寸，这有利于材料和电解液的充分接触，提供更多的反应活性位点，缩短Zn2+扩散路径;同时引入锌离子导体Zn3（PO4）2·4H2O，增强了Zn2+插层动力学，大大增强了电极材料的可逆性和循环稳定性。BiOIO3在Zn2+嵌入/脱出过程中表现出结构退化和缓慢的扩散动力学,这严重影响了其电化学性能。BiOIO3@Zn3（PO4）2·4H2O复合材料显示出了出色的循环/倍率性能。并且证明了BiOIO3是嵌入型的储能机理。此外，制备的BiOIO3@Zn3（PO4）2·4H2O//Mn3O4水系锌离子全电池具有出色的电化学性能。 （2）采用水热法制备BiOCl和Sn-BiOCl负极材料。通过BET测试，扫描电子显微镜观察，可以发现制备的Sn-BiOCl纳米片比纯的BiOCl具有更大的比表面积,这有利于材料和电解液的充分接触,对于储存锌离子有更多的活性位点,从而能够实现高效的锌存储性能。Sn2+掺杂BiOCl纳米片表现出了优异的循环性能和倍率性能。此外，制备的Sn-BiOCl∥MnO2水系锌离子全电池具有出色的容量。 （3）采用水热法制备Bi2O2CO3和Ni-Bi2O2CO3负极材料。制备的Bi2O2CO3和Ni-Bi2O2CO3具有纳米尺寸的结构，Ni-Bi2O2CO3与Bi2O2CO3相比，电化学性能具有较大幅度的提升，镍离子掺杂后减少了电极材料与锌离子之间的静电相互作用，增强了Zn2+插层动力学，大大增强了Bi2O2CO3的循环可逆性和稳定性，并且，掺杂后的材料在0.7A g-1的电流密度下循环2000次还有120mAh g-1的容量，显示了优异的循环稳定性，该材料的合成方法简单，同时通过非原位X-射线衍射证明Bi2O2CO3嵌入型储能机理。此外，制备的Ni-Bi2O2CO3//MnO2水系锌离子全电池具有出色的容量。
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