Сверхрешетки Bi5Te3 как катодный материал водного цинкионного аккумулятора

  • Алексей Степанович Боковец Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Геннадий Антонович Рагойша Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Евгений Николаевич Анискевич Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Евгений Анатольевич Стрельцов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Разработан прототип водного цинк-ионного аккумулятора, который в стадии разряда использует поверхностное подпотенциальное осаждение цинка на электроактивном материале, принимающем при переносе заряда ионы Zn2+. В качестве катодного материала выбраны сверхрешетки (Bi2)m(Bi2Te3)n, состав которых соответствует формуле Bi5Te3. Процессы переноса заряда в катоде при зарядке аккумулятора и его разряде исследованы методами циклической вольтамперометрии, электрохимической импедансной спектроскопии и записи гальваностатических кривых заряда и разряда. Присутствие в сверхрешетках нанослоев висмута обеспечивает эффективный перенос заряда в материале катода, а слои теллурида висмута принимают ионы Zn2+, формирующие адатомные слои цинка, которые анодно окисляются в процессе зарядки аккумулятора.

Биографии авторов

Алексей Степанович Боковец, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

аспирант кафедры электрохимии химического факультета. Научный руководитель – Г. А. Рагойша

Геннадий Антонович Рагойша, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

кандидат химических наук, доцент; ведущий научный сотрудник лаборатории химии тонких пленок

Евгений Николаевич Анискевич, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

старший научный сотрудник кафедры электрохимии химического факультета

Евгений Анатольевич Стрельцов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор химических наук, профессор; заведующий кафедрой электрохимии химического факультета

Литература

  1. Fang G, Zhou J, Pan A, Liang S. Recent advances in aqueous zinc-ion batteries. ACS Energy Letters. 2018;3(10):2480–2501. DOI: 10.1021/acsenergylett.8b01426.
  2. Tang B, Shan L, Liang S, Zhou J. Issues and opportunities facing aqueous zinc-ion batteries. Energy and Environmental Science. 2019;12:3288–3304. DOI: 10.1039/C9EE02526J.
  3. Zhang M, Liang R, Or T, Deng YP, Yu A, Chen Z. Recent progress on high‐performance cathode materials for zinc‐ion batteries. Small Structures. 2021;2(2):2000064. DOI: 10.1002/sstr.202000064.
  4. Park JS, Jo JH, Aniskevich Y, Bakavets A, Ragoisha G, Streltsov E, et al. Open-structured vanadium dioxide as an intercalation host for Zn ions: investigation by first-principles calculation and experiments. Chemistry of Materials. 2018;30(19):6777–6787. DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b02679.
  5. Zampardi G, La Mantia F. Open challenges and good experimental practices in the research field of aqueous Zn-ion batteries. Nature Communications. 2022;13:687. DOI: 10.1038/s41467-022-28381-x.
  6. Shin J, Lee J, Park Y, Choi JW. Aqueous zinc ion batteries: focus on zinc metal anodes. Chemical Science. 2020;11(8):2028–2044. DOI: 10.1039/D0SC00022A.
  7. Siamionau U, Aniskevich Y, Mazanik A, Kokits O, Ragoisha G, Jo JH, et al. Rechargeable zinc-ion batteries with manganese dioxide cathode: how critical is choice of manganese dioxide polymorphs in aqueous solutions? Journal of Power Sources. 2022;523:231023. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.231023.
  8. Alfaruqi MH, Mathew V, Song J, Kim S, Islam S, Pham DT, et al. Electrochemical zinc intercalation in lithium vanadium oxide: a high-capacity zinc-ion battery cathode. Chemistry of Materials. 2017;29(4):1684−1694. DOI: 10.1021/acs.chemmater.6b05092.
  9. Jo JH, Aniskevich Y, Kim J, Choi JU, Kim HJ, Jung YH, et al. New insight on open-structured sodium vanadium oxide as high-capacity and long life cathode for Zn-ion storage: structure, electrochemistry, and first-principles calculation. Advanced Energy Materials. 2020;10(40):2001595. DOI: 10.1002/aenm.202001595.
  10. Cheng Y, Luo L, Zhong L, Chen J, Li B, Wang W, et al. Highly reversible zinc-ion intercalation into chevrel phase Mo6S8 nanocubes and applications for advanced zinc-ion batteries. ACS Applied Materials and Interfaces. 2016;8(22):13673–13677. DOI: 10.1021/acsami.6b03197.
  11. Li H, Yang Q, Mo F, Liang G, Liu Z, Tang Z, et al. MoS2 nanosheets with expanded interlayer spacing for rechargeable aqueous Zn-ion batteries. Energy Storage Materials. 2019;19:94–101. DOI: 10.1016/j.ensm.2018.10.005.
  12. Xiong T, Wang Y, Yin B, Shi W, Lee WSV, Xue J. Bi2S3 for aqueous Zn ion battery with enhanced cycle stability. Nano-Micro Letters. 2020;12:8. DOI: 10.1007/s40820-019-0352-3.
  13. Wu Z, Lu C, Wang Y, Zhang L, Jiang L, Tian W, et al. Ultrathin VSe2 nanosheets with fast ion diffusion and robust structural stability for rechargeable zinc-ion battery cathode. Nano Micro Small. 2020;16(35):2000698. DOI: 10.1002/smll.202000698.
  14. Peng L, Ren X, Liang Z, Sun Y, Zhao Y, Zhang J, et al. Reversible proton co-intercalation boosting zinc-ion adsorption and migration abilities in bismuth selenide nanoplates for advanced aqueous batteries. Energy Storage Materials. 2021;42:34–41. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.07.015.
  15. Wang Q, Wang S, Wei NG, Wuet R, Zeng W, Wen L, et al. Aqueous zinc-ion batteries based on a 2D layered Bi2Te3 cathode. Chemical Engineering Journal. 2022;450(part 2):138132. DOI: 10.1016/j.cej.2022.138132.
  16. Ko JK, Jo JH, Kim HJ, Park JS, Yashiro H, Voronina N, et al. Bismuth telluride anode boosting highly reversible electrochemical activity for potassium storage. Energy Storage Materials. 2021;43:411–421. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.09.028.
  17. Bakavets A, Aniskevich Y, Yakimenko O, Jo JH, Vernickaite E, Tsyntsaru N, et al. Pulse electrodeposited bismuth-tellurium superlattices with controllable bismuth content. Journal of Power Sources. 2020;450:227605. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2019.227605.
  18. Bakavets A, Aniskevich Y, Ragoisha G, Tsyntsaru N, Cesiulis H, Streltsov E. The optimized electrochemical deposition of bismuth – bismuth telluride layered crystal structures. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021;1140:012016. DOI: 10.1088/1757-899X/1140/1/012016.
  19. Bakavets A, Aniskevich Y, Ragoisha G, Mazanik A, Tsyntsaru N, Cesiulis H, et al. Electrochemistry of bismuth interlayers in (Bi2)m(Bi2Te3)n superlattice. Journal of Solid State Electrochemisry. 2021;25(12):2807–2819. DOI: 10.1007/s10008-021-05068-9.
  20. Bakavets AS, Aniskevich YM, Ragoisha GA, Tsyntsaru N, Cesiulis H, Streltsov EA. Electrochemistry of (Bi2)m(Bi2Te3)n materials with superlattice structure. Sviridovskie chteniya. 2021;17:33–46. Russian.
  21. Zhao XB, Ji XH, Zhang YH, Zhu TJ, Tu JP, Zhang XB. Bismuth telluride nanotubes and the effects on the thermoelectric properties of nanotube-containing nanocomposites. Applied Physics Letters. 2005;86(6):062111. DOI: 10.1063/1.1863440.
  22. Petrícek V, Dušek M, Palatinus L. Crystallographic computing system JANA2006: general features. Zeitschrift für Kristallographie – Crystalline Materials. 2014;229(5):345–352. DOI: 10.1515/zkri-2014-1737.
  23. Chulkin PV, Aniskevich YM, Streltsov EA, Ragoisha GA. Underpotential shift in electrodeposition of metal adlayer on tellurium and the free energy of metal telluride formation. Journal of Solid State Electrochemistry. 2015;19(9):2511–2516. DOI: 10.1007/s10008-015-2831-x.
  24. Ragoisha GA, Aniskevich YM, Bakavets AS, Streltsov EA. Electrochemistry of metal adlayers on metal chalcogenides. Journal of Solid State Electrochemistry. 2020;24(11–12):2585–2594. DOI: 10.1007/s10008-020-04681-4.
  25. Bakavets AS, Aniskevich YM, Ragoisha GA, Streltsov EA. Underpotential deposition of lead onto Bi2Te3/Te heterostructures. Electrochemistry Communications. 2018;94:23–26. DOI: 10.1016/j.elecom.2018.07.018.
  26. Chen Z, Yang Q, Mo F, Li N, Liang G, Li X, et al. Aqueous zinc – tellurium batteries with ultraflat discharge plateau and high volumetric capacity. Advanced Materials. 2020;32(42):2001469. DOI: 10.1002/adma.202001469.
Опубликован
2023-08-21
Ключевые слова: теллурид висмута, висмут, сверхрешетка, цинк, аккумулятор, подпотенциальное осаждение
Поддерживающие организации Работа выполнена при финансовой поддержке государственной программы научных исследований «Химические процессы, реагенты и технологии, биорегуляторы и биооргхимия» на 2021–2025 гг. (научно-исследовательские работы 20210562 и 20211465).
Как цитировать
Боковец, А. С., Рагойша, Г. А., Анискевич, Е. Н., & Стрельцов, Е. А. (2023). Сверхрешетки Bi5Te3 как катодный материал водного цинкионного аккумулятора. Журнал Белорусского государственного университета. Химия, 1, 28-36. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2023-1-28-36