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，加强了对高效且可持续的先进储能系统的需求。在这些系统的关键组成部分中，电极材料对性能的决定性作用尤为突出。在此背景下，钒酸铋（Bismuth Vanadate, BVO）因其独特的结构和电化学特性，已成为一种极具前景的材料。BVO在锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）、锌离子电池（ZIBs）及超级电容器等多种储能技术中展现出巨大潜力。其高效的离子嵌入能力和稳健的类电池行为等特点，使其成为下一代储能设备的理想候选材料。近年来，通过形貌优化的策略，BVO基材料的比电容和循环稳定性得到进一步提升，推动了储能技术的显著发展。此外，创新方法——如利用BVO在锌离子电池中的光催化特性——为储能提供了一条经济且环保的新路径。本综述强调了BVO作为电极材料的变革性潜力，重点探讨其在满足清洁与可再生能源倡议对储能技术的迫切需求中所起的作用。通过深入分析，进一步表明了BVO在塑造可持续能源解决方案未来方面的适应性和广阔前景。

文章简介

工业化进程与社会发展的快速推进促使能源消费需求急剧增长。历史上，这一需求主要依赖化石燃料的开采与利用来满足，包括天然气、煤炭和石油等资源。然而，依赖此类燃料带来了诸多挑战，包括经济负担、资源有限性以及对环境造成危害并导致气候变化等问题。为应对这些挑战，可再生能源的探索作为一种有前景的替代方案已日益受到重视。尽管如此，如何高效捕获和存储这些能源仍存在重大技术难题。储能系统在发电和配电领域中扮演着关键角色，有助于将可再生能源平滑整合到现有电网中。在众多储能技术中，电化学设备引起了广泛关注。超级电容器作为电化学设备的一个分支，以其高达410 kW kg⁻¹的功率密度和超长循环寿命（超过10⁵次循环）等特性脱颖而出。其应用领域涵盖汽车、消费电子和工业能源管理等多个行业。尽管超级电容器具有诸多优点，它们仍面临固有局限，尤其是在能量密度方面。另一方面，电池是另一种储能途径，特别在对高能量密度有迫切需求时更受青睐。锂离子电池（LIBs）因其卓越的能量密度和长久寿命已成为该领域的领跑者。继LIBs之后，一些新型电池化学体系也被提出作为替代方案，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对于满足不断演变的储能系统需求至关重要。当前的研究旨在克服现有局限，同时致力于开发更高效、可持续和多功能的储能解决方案。

科学界普遍认识到电极材料在决定储能设备效能方面的关键作用。因此，识别和利用合适的电极材料对于改善此类设备性能缺陷具有重要意义。金属氧化物因其高比电容、增强的导电性和良好的电化学稳定性而受到广泛关注，成为高性能超级电容器电极的理想候选材料。一般而言，金属氧化物表现出优异的比电容，凸显了其在储能应用中的实用性。

迄今为止，多种过渡金属氧化物（MTMOs），如Co₃O₄、V₂O₅、MnO₂等，已被有效用作储能应用中的电极，这主要归因于金属离子的多氧化态、低成本及可控结构。钒酸铋（BiVO₄，BVO）作为一种光催化剂、磁性材料，并最近因其氧化态和化学稳定性在电池和超级电容器等储能应用中受到广泛研究。BVO可形成三种不同的晶体结构：四方锆石型、四方白钨矿型和单斜白钨矿型。其中，具有单斜结构的BVO（m-BVO）在电化学应用中被广泛研究。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晶格，这可能表现出f和d轨道的强杂化。有趣的是，BiO₈和VO₄层在晶体学bc面和ac面形成蜂窝状晶格的平面几何结构，如图1c,d所示。此外，BiO₈和VO₄沿晶体学a轴形成一维锯齿链（图1d）。BVO的层状结构以及多价Bi和V离子的存在，使其成为电化学储能设备的潜在候选材料。

Figure1:(a–d) BVO化合物晶体结构在不同晶面上的投影。箭头指示蜂窝状晶格平面(c, d)。图(d)中黑色虚线圆角框标注的是由共棱连接的BiO₈多面体与VO₄多面体分别构成的一维锯齿链结构单元。

文章结论

钒酸铋（BiVO₄，BVO）已成为新一代储能系统中一种多功能且高度适配的材料，其在氧化还原活性、结构可调性和环境可持续性之间实现了卓越平衡。本综述全面探讨了BVO的电化学潜力，重点阐述了其支持双电荷存储机制的独特能力——即合金化反应（Bi ↔ Li₃Bi）和可逆氧化还原转变（V⁵⁺ ↔ V³⁺）。这些特性使BVO不仅适用于传统锂离子电池（LIBs）和超级电容器（SCs），还可用于更先进的混合设备，如超级电容电池（supercapatteries）和锂离子电容器（LICs）。BVO的显著特征之一是其优异的表面形貌，可促进电解质深层渗透和快速离子扩散，从而增强电化学动力学。从纳米棒到分级花状球体的形貌工程在最大化表面积、缓解体积膨胀和改善电极/电解质相互作用方面发挥了关键作用。与石墨烯、MoS₂和g-C₃N₄等材料形成的混合异质结构进一步提升了BVO的电化学性能，使其比电容、倍率性能和循环寿命显著改善。值得注意的是，基于g-C₃N₄/BVO的超级电容电池成功融合了电容性和法拉第行为，产生了适合高性能应用的增强能量密度和功率密度。

与此同时，为克服BVO固有局限性（如中等电导率、体积不稳定性和粘结剂依赖性）的努力催生了一系列创新。表面包覆导电碳或聚合物、掺杂Nd³⁺等稀土元素以及采用先进合成方法等策略已被证明能有效应对这些挑战。此类改性可改善电荷传输、抑制循环过程中的结构降解并降低内阻，从而确保更高的能量效率和延长的使用寿命。尽管成果显著，但要充分实现BVO基储能设备的商业化潜力，仍需解决若干瓶颈问题。例如，大多数已报道研究依赖于需要聚合物粘结剂的粉末基BVO电极，这可能会干扰电荷传输并降低机械稳定性。此外，BVO基复合构型仍相对有限，限制了功能优化的范围。

论文信息：

Bismuth Vanadate as a Multifunctional Material for Advanced Energy Storage Systems

Deepak Rajaram Patil, Shrikant Sadavar, Abhishek Amar Kulkarni, Kiyoung Lee*, Deepak Dubal*