摘要：
对可再生能源、电动汽车和便携式电子设备的日益依赖加剧了对高效和可持续的先进能源储存系统的需求。在这些系统的关键组件中，电极材料在决定性能方面发挥着至关重要的作用。在这种背景下，钒酸铋（BVO）因其独特的结构和电化学特性而成为一种极具前景的材料。BVO在锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池和超级电容器等多种能源储存技术中展现出巨大的潜力。其独特特点，如高效的离子插层和强大的电池类行为，使其成为下一代设备的理想候选材料。近期在形态优化方面的进展进一步提升了基于BVO材料的比电容和循环稳定性，为能源储存技术的重大进展铺平了道路。此外，创新方法如利用BVO的光催化能力在锌离子电池中的应用，提供了一条具有成本效益和环保的能源储存途径。本综述强调了BVO作为电极材料的变革潜力，突出了其在应对支持清洁和可再生能源倡议的能源储存技术迫切需求中的作用。通过详细探索，强调了BVO在塑造可持续能源解决方案未来中的适应性和前景。
文章简介：
工业化和社会进步的快速发展推动了能源消费需求的激增。历史上，这一需求主要通过化石燃料的开采和利用来满足，包括天然气、煤炭和石油等资源。然而，依赖这些燃料带来了诸多挑战，包括经济负担、资源有限以及对环境的有害影响，导致气候变化。对此，探索可再生能源作为一种有前景的替代方案逐渐受到重视。然而，从这些资源中高效地获取和储存能源面临着重大技术障碍。能源储存系统在发电和分配领域中成为关键组成部分，促进了可再生能源与现有电网的顺利整合。电化学装置在能源储存技术中受到了相当大的关注。超级电容器作为电化学装置的一类，因其高达410 kW kg⁻¹的高功率密度和超过105次的延长循环寿命而脱颖而出。它们的应用涵盖汽车、消费电子和工业能源管理等多个领域。尽管超级电容器具备优良的特性，但它们在能量密度方面面临固有限制。另一方面，电池代表了另一种能源储存方式，尤其在需要高能量密度时受到青睐。锂离子电池（LIBs）因其卓越的能量密度和长寿命而成为该领域的领先者。继LIBs之后，几种新的电池化学体系被提出作为LIBs的替代方案，包括钠离子电池（SIBs）、锌离子电池（ZIBs）等。推动超级电容器和电池技术的进步在应对日益变化的能源储存系统需求中仍然至关重要。当前的研究旨在克服现有限制，同时努力开发更高效、可持续和多功能的能源储存解决方案。
电极材料在决定能源储存设备的有效性方面的关键作用在科学界得到了广泛认可。因此，识别和利用适当的电极材料成为提升此类设备性能不足的必要工作。金属氧化物因其高比电容、增强的电导率和良好的电化学稳定性而受到广泛关注，使其成为高性能超级电容器中作为电极的极具前景的候选材料。一般而言，金属氧化物表现出优越的比电容，能够根据其体积或质量储存电荷，突显了其在能源储存应用中的效用。
迄今为止，各种过渡金属氧化物（MTMOs），如Co3O4、V2O5、MnO2等，已被有效用作能源储存应用中的电极，主要得益于金属离子的多重氧化态、低成本和可控结构。矾酸铋（BiVO4-BVO）因其氧化态和化学稳定性，已被广泛研究作为光催化剂、磁性材料，最近也用于电池和超级电容器等能源储存应用。BVO可以形成三种不同的晶体结构：四方锆石型、四方钙钛矿型和单斜钙钛矿型。在这些结构中，单斜结构的BVO（m-BVO）因其电化学应用而受到广泛研究。该结构由VO4四面体和BiO8多面体组成，如图1a、b所示。BiO8多面体通过VO4四面体连接，形成复杂的晶格，可能表现出f和d轨道的强混合。值得注意的是，BiO8和VO4的层在晶体学bc-和ac-平面上形成蜂窝状的平面几何结构，如图1c、d所示。此外，BiO8和VO4沿晶体学a轴形成1D之字形链（图1d）。BVO的层状结构以及多价Bi和V离子的存在，使其成为电化学储存设备的潜在候选材料。
图1. (a–d) BVO化合物晶体结构在不同平面上的投影。箭头指示蜂窝平面（c，d）。在(d)中，突出显示的虚线黑色圆形线条是由边共享的BiO8和VO4多面体形成的之字形链的单元。
近年来，基于BVO的材料作为超级电容器和电池的电极材料引起了相当大的关注。尽管这种日益增长的兴趣存在，全面总结进展的综述文章仍然相对稀缺。最近，Brennhagen等和Skurtveit等人阐明了BVO作为锂离子电池（LIBs）和钠离子电池（SIBs）阳极材料的潜力。虽然他们的贡献是有价值的，但仅提供了对BVO在多种能源储存化学领域更广泛应用的有限视角。本综述旨在填补这一空白，提供BVO在多种能源储存技术中的潜力的综合和系统概述，包括LIBs、SIBs、锌离子电池（ZIBs）和超级电容器。BVO的独特特性，如高效的离子插层和强大的电池类行为，使其成为下一代能源储存设备的有前景的候选材料。综述系统地探讨了BVO在形态、结构和组分优化方面的最新进展，以增强其电化学性能。此外，还讨论了创新应用，例如在ZIBs中利用BVO的光催化特性，以突出其多样性和可持续能源储存解决方案的潜力。通过强调BVO作为电极材料的变革能力，本综述强调了其在满足与清洁和可再生能源目标相一致的先进能源储存技术日益增长的需求中的关键作用。
文章结论：
矾酸铋（BiVO4, BVO）已成为下一代能源储存系统中一种多功能且高度适应的材料，提供了氧化还原活性、结构可调性和环境可持续性之间的良好平衡。本综述提供了BVO电化学潜力的全面概述，强调了其支持双重电荷存储机制的独特能力即合金反应（Bi↔Li3Bi）和可逆氧化还原转变（V5+ ↔V3+）。这些特性使BVO不仅适用于传统的锂离子电池（LIBs）和超级电容器（SCs），还适用于更先进的混合设备，如超级电容器电池（supercapatteries）和锂离子电容器（LICs）。BVO的一个显著特征是其有利的表面形态，促进了电解质的深层渗透和快速离子扩散，从而提高了电化学动力学。从纳米棒到层级花朵状球体的形态工程在最大化表面积、减轻体积膨胀和改善电极/电解质相互作用中发挥了关键作用。与石墨烯、MoS2和g-C3N4等材料形成混合异质结构，进一步提升了BVO的电化学性能，显著改善了比电容、倍率能力和循环寿命。值得注意的是，基于g-C3N4/BVO的超级电容器电池成功地将电容性和法拉第行为结合在一起，带来了适合高性能应用的增强能量和功率密度。
与此同时，克服BVO固有限制（如适度的电导率、体积不稳定性和对粘合剂的依赖）所做的努力，催生了一波创新。采用导电碳或聚合物的表面涂层、用稀土元素如Nd3+掺杂以及采用先进的合成方法等策略已被证明在应对这些挑战方面有效。这些改进提高了电荷传输，抑制了循环过程中的结构退化，并降低了内阻，从而确保了更高的能量效率和延长的操作寿命。尽管这些结果令人鼓舞，但仍然存在若干瓶颈需要解决，以充分发挥基于BVO的能源储存设备的商业可行性。例如，大多数已报道的研究依赖于需要聚合物粘合剂的粉末基BVO电极，这可能干扰电荷传输并降低机械强度。此外，基于BVO的复合配置数量相对有限，限制了功能优化的范围。
总之，BVO因其多面的电化学特性和结构适应性而处于下一代电极材料的前沿。通过对材料创新、可扩展加工和设备级集成的集中努力，BVO具有巨大的潜力来应对高能量密度和长循环寿命的双重挑战。在这一领域的持续进展不仅将提升当前能源储存系统的性能，还将为未来技术开发可持续和高效的储存平台铺平道路。
文章信息：
Bismuth Vanadate as a Multifunctional Material for Advanced Energy Storage Systems
Deepak Rajaram Patil, Shrikant Sadavar, Abhishek Amar Kulkarni, Kiyoung Lee*, Deepak Dubal*
https://doi.org/10.1002/bte2.20250028
