清华深研院杨诚港城大支春义，最新JACS!

清华深研院杨诚/港城大支春义团队在JACS上发表最新研究成果清华深研院杨诚副教授与港城大支春义教授团队在Journal of the American Chemical Society（JACS）上发表了题为“Bismuth: An Epitaxy-like Conversion Mechanism Enabled by Intercalation-Conversion Chemistry for Stable Aqueous Chloride-Ion Storage”的研究论文。该研究揭示了一种独特的类外延转换机制，显著提升了铋（Bi）作为氯离子电池负极材料的性能。研究背景传统的金属离子电池研究主要集中在阳离子上，而对于具有较大半径的卤化物离子（如氯离子）的存储，传统的插层电池几乎不可能完成。水系氯离子电池（ACIB）基于Cl?作为电荷载体，具有高电化学耦合性和理论密度，超越传统的锂离子电池。此外，ACIB可以使用海水作为电解质，从而增强环保性和安全性，并在脱盐领域具有潜在优势。然而，基于转换的Bi负极在充放电过程中会经历巨大体积变化，导致电极粉化和严重的副反应，限制了其实际应用。研究成果该研究团队通过揭示单晶R3m型Bi纳米球在Cl?插层作用下的独特类外延转换机制，显著抑制了颗粒粉化和容量衰减。具体来说，Cl?在Bi的层间空间插层，使得Bi纳米球在初次转换反应后自我演变为刚性BiOCl纳米片交错结构。这种结构转变赋予了Bi负极优异的电化学性能。高容量与长寿命：在0.25 C的电流密度下，Bi负极表现出高达249 mAh g-1的容量，并且在1400小时以上仅损失20%的容量。独特的类外延转换机制：该机制通过Cl?的插层和BiOCl纳米片的形成，有效释放了插层氯化过程中的体积膨胀，从而保持了负极结构的稳定性。全电池性能：将Bi负极与普鲁士蓝正极配对组成的全电池，提供了高达127.1 m gCl gBi?1的超高脱盐容量，展示了该材料在脱盐领域的潜在应用。图文导读结构模拟与机制揭示：通过晶体数据的结构模拟，揭示了Cl?在R3m型Bi中的运输机制。转换后的BiOCl晶体结构显示，五层单元（Cl?Bi?O?Bi?Cl）n可以视为平面大分子，赋予了层状BiOCl相独特的形态、电化学和机械性能。阶段结构与反应分布：高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像和Bi纳米球负极在不同SOC的Bi L边XANES光谱研究表明，Bi纳米球在氯化过程中从球形转变为层状结构，直径显著增加，伴随着Cl?的完全插入。电化学性能与稳定性：Pourbaix图显示了Bi在不同pH和电位下的存在形式，表明Bi负极在宽电位范围内表现出优异的电化学稳定性。GITT测量显示，Bi纳米球电极的Cl?扩散系数明显高于商业Bi粉末/块体电极。总结展望该研究不仅为Bi基ACIB的实用化奠定了基础，还为理解转换型负极结构提供了新的视角。通过揭示类外延转换机制，该研究为水系氯离子电池的发展提供了新的思路，有望推动其在大规模储能和脱盐领域的应用。文献信息Zhu, H., Peng, L., Kang, F., Zhi, C., & Yang, C. (2024). Bismuth: An Epitaxy-like Conversion Mechanism Enabled by Intercalation-Conversion Chemistry for Stable Aqueous Chloride-Ion Storage. Journal of the American Chemical Society. https://doi.org/10.1021/jacs.4c05337