由于低成本、高安全性、环境友好和离子导电性高等优点，水系电池受到研究者的广泛关注。基于金属（Na⁺, K⁺, Zn^2+, Mg²⁺）和非金属（H⁺, H₃O⁺, NH₄⁺）的电荷载体，各种水系电池已经被报道。其中锌离子电池（ZIBs）和铵根离子（AIBs）电池由于多方面的优势被认为是极具潜力的大规模储能系统。

在ZIBs和AIBs中，大量的正极材料已经相继报道。调研发现，一些材料在经过不同的修饰方法后，可以在ZIBs和AIBs中分别展示出优异的性能，如：α-MnO₂和VO₂。然而非金属负极同时应用在ZIBs和AIBs中的研究较少，PTCDI的报道证明了开发双功能非金属负极的可行性。具有层状结构的铋基化合物分别在ZIBs（BiOXs, Bi₂O₂CO₃, BiOIO₃）和AIBs（BiSeO₅）中得到应用。这说明铋基材料有成为双功能材料的可能。

近日，湘潭大学龙碑副教授和湖南农业大学/湖南省银峰新能源有限公司吴雄伟教授在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Se Vacancy Activated Bi₂Se₃ Nanodots Encapsulated in Porous Carbon Nanofibers for Aqueous Zinc and Ammonium Ion Batteries”的文章。该文章使用静电纺丝法制备碳纤维包覆Bi₂Se₃纳米点的复合材料。实验结合理论研究证明，纳米点和硒缺陷改善了Zn²⁺和NH₄⁺的传输和储存。循环过程中，Bi₂Se₃纳米点被限定在碳纤维中，并且非原位表征证明Bi₂Se₃的嵌入机制。因此，该电极在ZIBs和AIBs中展示出高容量和长寿命。而且电极在18 mg cm^-2的高载量也能展示出优异的性能。ZIBs和AIBs全电池进一步证明其应用价值。这篇文章为设计双功能的电极材料提供了一个参考。

图1 Bi₂Se₃和Bi₂Se_3-x的理论计算

基于第一性原理的计算发现，硒缺陷改善了Bi₂Se₃的电荷和离子传输。

图2 Bi₂Se₃ NF和Bi₂Se₃ NF的表征

通过静电纺丝和硒化策略成功制备Bi₂Se₃纳米点嵌入碳纤维中的复合材料，XRD、RAMAN、XPS、SEM和TEM等表征证明了Bi₂Se₃  NF的成功制备。

图3 Bi2O3 NF和Bi₂Se₃ NF在ZIBs中的应用

在ZIBs中，低载量电极（6 mg cm^-2）在0.05 A g^-1电流下的容量为270 mA h g^-1，且在10 A g^-1电流下循环20 K圈后的容量保持率为60%。高载量电极（12和18 mg cm^-2）仍然展示出高容量和长循环稳定性。

图4 Bi₂Se₃  NF在ZIBs中的储能机理研究

在ZIBs中，非原位XRD和XPS等表征证明了Bi₂Se₃  NF的嵌入型机制。SEM和不同电解液中的三电极测试揭示了H+/和Zn2+的共嵌入反应过程。

图5 Bi2Se3 NF在AIBs中的性能测试和储能机理研究

在AIBs中，低载量电极（6 mg cm-2）在0.05 A g-1电流下的容量为192 mA h g-1，且在2 A g-1电流下循环9 K圈后的容量保持率为78%。高载量电极（12和18 mg cm-2）仍然展示出高容量和长循环稳定性。非原位XRD和XPS等表征证明了Bi₂Se₃  NF的嵌入型机制。

图6 全电池测试和应用

Bi₂Se₃ NF//Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂和Bi₂Se₃ NF//LiMn2O4全电池在0.05 A g^-1电流下分别展示出120和90 mA h g^-1的可逆容量。

综上所述，本工作通过静电纺丝和硒化处理成功制备了Bi₂Se₃ NF。电化学测试和DFT计算证明，纳米点和硒缺陷设计改善了Zn²⁺和NH₄⁺的传输和储存。在循环过程中，Bi₂Se₃纳米点被限定在多孔碳纤维中，多种非原位表征证明Bi₂Se₃在ZIBs和AIBs中的嵌入机制。受益于多方面优势，该电极在ZIBs和AIBs中展示出高容量（270和192 mAh g-1）和长寿命（20 K和9 K圈）。而且电极在18 mg cm^-2的高载量也能展示出优异的性能。ZIBs和AIBs全电池进一步证明其应用价值（120和90 mA h g^-1）。这篇文章证明了设计储存Zn²⁺和NH₄⁺双功能电极的可行性。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411430