通过利用金属氧簇的电化学驱动电极材料重构来增强水系HAWKER蓄电池能量存储

电极资料的电化学重构是电化学反响进程中常见的现象，但因为初始电极结构杂乱多样使得重构进程反常杂乱，因而资料在重构进程中的演化仍然是一个鲜少被探索的领域。在本工作中，Bi 6 多面体团簇被用作构建单元以减轻初始结构的影响，从而为提醒电化学驱动的重构提供了机会。经过掺杂金属原子（Fe、Cu、Zn）来微调成分，Bi 6 多面体团簇的电化学驱动重构形成了具有独特结构特征的Cu/Zn共掺杂Bi 2 O 3 /FeOOH纳米级异质结构，这些特征包含异质晶粒的竞赛生长、微区应力以及金属离子的多种功能性。作为一种阳极资料，其组装的水系电池完成了能量密度与功率密度的高水平平衡，在27.2 kW kg −1 的功率密度下达到102.2 Wh kg −1。这项研讨为经过电化学重构自发构建新型电极资料铺平了道路，有望加快高功能电化学储能设备的进步。

导言

采用有机电解质的锂离子电池（LIBs）和超级电容器（SCs）在从便携式电子设备到电动汽车及大规模储能系统的各种电化学储能系统中得到了广泛使用[[1], [2], [3], [4]]。但是，由LIBs引起的多次火灾事故引发了人们对储能设备安全性的忧虑[5]。在此背景下，水系可充电电池（ARBs）近年来因其高安全性和低成本而从头受到关注。ARBs经过使用具有高离子电导率的水系电解质完成高功率密度，同时利用产生法拉第反响的高容量电极资料来提高能量密度。这些特性使其有望成为具有中等能量密度的快速充电电池，在大规模储能站和短途运输领域展现出宽广的使用远景[[6], [7], [8]]。
现在，经过很多研讨，ARBs的cathode资料已取得了相对不错的功能，但其anode资料的发展较为缓慢。报导的资料仍表现出较差的rate capability和cyclic stability[9,10]。因而，为了ARBs的实践使用，迫切需要规划和制备高功能的anode资料。Fe基和Bi基资料（如Fe 2 O 3、Bi 2 O 3）作为两种极具远景的anode资料已被研讨，经过采用包含构建nanostructure和规划heterostructure在内的各种方法，它们的specific capacity和稳定性得到了提高。但是，从前的研讨标明，Fe基和Bi基anode资料在电化学活化进程中会产生conversion reactions。例如，Fe基资料（如Fe 2 O 3、Fe 3 O 4、FeS）能够经过FeOOH与Fe(OH) 2之间的可逆反响转化为oxyhydroxides，而Bi基资料（如Bi 2 O 3、Bi 2 S 3）则遵从金属Bi与Bi 2 O 3之间的可逆相转变[[11], [12], [13], [14]]。这意味着所有初始结构和物相都会在电化学进程中被损坏并重构。但是，迄今为止，对电化学驱动重构进程的知道仍然有限，且初始结构与电化学驱动重构之间的联系尚不清晰[15]。因为对电化学反响pro的理解有限……
从这一角度来看，提供必要的构建单元并答应它们在电场驱动下自发构建新资料具有宽广的远景[[19], [20], [21], [22]]。在这种电化学驱动的“自下而上”构建（EBB）策略中，寻找适宜的构建单元值得考虑。Polyoxometalates（POMs）以其均一性、高活性和易掺杂性著称，成为理想的候选者[[23], [24], [25]]。在本研讨中，咱们选择了一种Bi基POM作为构建模块，经过掺杂各种金属原子（Fe、Cu、Zn）微调其成分，并成功制备了电极资料。试验和理论计算提醒了从无定形构建单元到纳米级Bi₂O₃/FeOOH异质结构的电化学驱动相演化进程，以及Cu/Zn掺杂剂对电子结构和反响动力学的独特调节作用。由此制得的Cu、Zn共掺杂Bi₂O₃/FeOOH负极资料表现出显著的归纳功能提高，将其组装成水系电池后完成了高度平衡的能量密度和功率密度。具体而言，该电池在27 kW kg⁻¹的超高功率密度下完成了102 Wh kg⁻¹的惊人能量密度，使其成为一种安全且快速充电的电池，优于以往报导的所有储能器材。