氯氧化铋超薄纳米板作为钠离子电池的负极材料

目前，钠离子电池(sib)被普遍认为是锂离子电池(lib)在能量转换和储存领域最有前途的替代品，并在过去几年得到了广泛的研究。这是因为钠盐的成本远远低于锂盐，因为钠盐的分配广，而且供应无限。对于SIBs，大多数研究集中在开发优良的电极材料。一些阴极材料已被广泛研究，但阳极材料更具挑战性。硬质碳作为SIBs的阳极材料具有良好的性能，但Na+插入硬质碳的潜力与金属本身的潜力非常接近，可能引起枝晶的形成和安全问题。

还研究了一些低电位过渡金属氧化物作为SIBs阳极材料。在钠离子(180mahg-1)的插入下，钛酸钠显示出理想的低电位(0.3V)，然而，要获得上述电容，缓慢的速率(C/25)和更多的炭黑是必不可少的。锡和无定形磷具有显著的容量，但大体积膨胀影响其循环性能。因此，探索新型的SIBs阳极材料仍然是一个发展的过程。

MOCl(M=Bi，V等)是一类新型的层状化合物。生物氯化物以其优异的活性和化学稳定性被广泛应用于光催化领域。最近，VOCl被报道为SIBs的阴极材料。在上述工作的启发下，我们采用简单的水热法合成了厚度为10-20nm的BiOCl超薄纳米片，并首次将其用作SIBs的阳极材料。在两个合适的放电电压(0.6V和0.4V)下，生物氯化物样品的初始放电容量高达1050mahg-1-1。

采用简便的水热法合成了BiOCl纳米片材。通常情况下，0.2417g(0.5mmol)Bi(NO₃)_3.5H₂O和0.1707 g 2-甲基咪唑分别溶解在20 mL N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和20mL去离子水中。然后在Bi(NO₃)₃溶液中加入1 mL盐酸(1M)。然后，在Bi(NO₃)₃溶液中加入20毫升2-甲基咪唑水溶液，形成白色悬浮液。然后在40mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在120°C下进行12小时的反应，最后进入冷却室温。白色沉淀物用过滤收集，用去离子水洗涤数次，然后在120°C真空下干燥12小时。

采用粉末x射线衍射(pxRD)和CuKα辐射(λ=1.5416Å)研究了产物的结晶相。使用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和能量色散光谱(EDS;JEOL-6300F)，透射电子显微镜(TEM;JEOL-2100系统)观察所得样品的形貌和结构。对于电化学测试，使用钠盘作为反电极，在碳酸乙烯-二乙基碳酸盐(EC-DEC，50:50体积%)溶液作为电解质，在2032型投币电池中评估阳极材料。该复合阳极由混合活性物质(BiOCl)、超级炭黑和羧甲基纤维素(CMC)粘合剂按6:3:1的重量比在去离子水中制成电极浆液，并使用医生刀片技术将浆液浇铸在蚀刻铜箔上，然后在120°C下真空干燥12小时。电极中的活性物质含量约为1.5mg。将电池构建在充满Ar的手套箱中，然后在Land循环器(武汉金诺电子有限公司，中国)上以期望的电流密度在0.01至2.0V(相对于Na+/Na)之间恒电流循环。使用CHI660c电化学站(上海晨华)进行循环伏安法(CV)测试。

根据报道的相测定方法，BiOCl样本的相组成和结晶度用拥有属性X射线衍射(pxRD)测定。如图1a，(a)所示，在2θ=11.9,24.1,25.8,33.5,36.5处出现的几个尖峰与相应的晶面匹配良好，分别为(001)，(002)，(101)，(102)和(003)。它们与标准XRD图样完全一致(PDF第85-0861号)。在图1(b)中，BiOCl的结构被投影到b-c平面上。每个Bi原子由4个O原子和4个Cl原子配位，构成一个十面体。十面体通过O-Cl边沿着无限层中的a轴和b轴相互连接[13]。这种独特的层状结构和相对较大的细胞体积可以为Na+提供扩散路径和合适的位置。

图1 (a)已制备的生物氯化物的 PXRD 图样; (b)生物氯化物单独在 a 轴上的晶体结构示意图。

如图2(a)及(b)所示，生物氯化物的形态为FESEM拥有属性。图像显示生物氯化物样品具有纳米片状结构，宽度为数百纳米，厚度为10-20nm。如图2(c)和(d)所示，透射电镜观察到了生物氯的更详细的结构信息。透射电镜(TEM)图像清晰可见，尽管有几个纳米片重叠，仍可以观察到超薄纳米片的结构。此外，我们亦进行了能谱元素图分析，以确定生物氯化物的元素分配。样品中的主要元素O、Cl和Bi分布非常均匀，如图2(e)-(h)所示。

图2 (a)和(b) FESEM 图像; (c)和(d) TEM 图像; (e)-(h) BiOCl 样品的 EDS 元素图谱。

采用简便的水热法合成了新型的BiOCl超薄纳米片，并首次探索了作为SIBs阳极材料的可能性。所得BiOCl材料在10mAg-1的电流密度下，初始放电容量为1050mAh-1，具有合适的放电电位平台。这项工作将进一步拓宽BiOCl的潜在应用，使阳极材料领域更加多样化。

1.Yan Zhang, Shiyu Lu, Min-Qiang Wang, Yubin Niu, Sangui Liu, Yutao Li, Xiaoshuai Wu, Shu-Juan Bao, Maowen Xu, Bismuth oxychloride ultrathin nanoplates as an anode material for sodium-ion batteries,Materials Letters, Volume 178, 2016, Pages 44-47, ISSN 0167-577X, https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.04.197.

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