水系金属-空气电池由于具有理论能量密度高、安全性高和成本低等优点，被视为最有前途的储能系统之一。尽管研究人员已经开发了多种水系金属-空气电池，如锌-空气、镁-空气、铝-空气和铁-空气电池，但由于金属负极的电化学不可逆性以及碱性电解质对大气CO₂的化学不稳定性，目前的金属-空气电池仍不能在空气中长期稳定工作。 

       最近，研究院团队设计了一种新型可充电的水系铋-空气（Bi-air）电池。得益于三电子反应和相对于标准氢电极（SHE）+0.32 V的高电位，铋金属负极表现出高的比容量和可逆性，并无腐蚀、钝化和析氢等副反应。此外，使用非碱性的三氟甲磺酸铋（Bi(OTf)₃）水溶液作为电解液，对空气中CO₂具有高耐受性，从而铋-空气电池实现了在环境空气中长期稳定工作200 h。该工作以题为“A novel rechargeable aqueous bismuth-air battery”发表于SCIENCE CHINA Materials。

铋-空气电池的示意图

       铋负极在Bi(OTf)₃电解液中的沉积电位为 −0.05 V vs. Bi³⁺/Bi，高于 SHE（−0.32 V vs. Bi3+/Bi），从而有效避免了腐蚀和析氢等副反应。铋负极在循环1000圈后，仍保持383 mAh g⁻¹ 和 3748 mAh cm⁻³ 的高比容量，接近其理论容量（385 mAh g⁻¹, 3762 mAh cm⁻³）。并且过电势较低~65 mV，在循环后过电势和界面阻抗无明显变化，表现出极佳的界面稳定性。

铋负极的电化学性能

       进一步组装成铋-空气电池，氧气作为参与反应的活性物质，铋-空气电池可以放出2.0 mAh cm⁻² 的容量，铋负极的利用率高达65%。并且铋-空气电池表现出良好的可逆性，可在0.1 mAh cm⁻²的电流密度下稳定循环200圈。铋-空气电池由于使用非碱性的Bi(OTf)₃电解质，对空气中的CO2具有很好的耐受性，因此不需要复杂而昂贵的电池设计来提供纯氧环境，有利于实际应用。

铋-空气电池的电化学性能

       放电后的空气正极上生成立方相Bi₂O₃，这是由于正极处的 ORR 反应，提高了阴极电解液的 pH 值，导致 Bi³⁺ 水解为 Bi₂O₃，而在充电时Bi2O3分解。而铋负极上没有其他副产物，表明铋阳极上没有发生腐蚀和钝化。由此，铋-空气电池的反应式应表示为：4Bi +3O₂ ↔ 2Bi₂O₃。

铋-空气电池的反应机理

       小结：这篇论文通过使用非碱性Bi(OTf)₃电解质，首次实现了可充电的水系铋-空气电池的构建。铋负极实现了383 mAh g⁻¹ 的高容量和超过 1000 次的循环稳定性，避免了钝化和析氢副反应。进一步组装成铋-空气电池，可在环境空气中稳定工作200 h，为开发新型安全稳定的水系金属-空气电池提供了新的思路。博士生程翔然为第一作者，该工作得到科技部、国家自然科学基金委和上海市科委的资助。