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学术温大

我校金辉乐&李俊教授课题组在国际顶级期刊Angewandte Chemie International Edition发表学术论文

来源:化学与材料工程学院发布时间:2022-06-21

近年来,水系锌离子电池因其高比容量、安全、环保、低成本等优势获得了快速发展,未来有望在大规模储能领域占据主导地位。开发兼具良好倍率性能和足够循环寿命的正极材料是水系锌离子电池商业化的关键。钒基氧化物具有低成本和高理论容量,被认为是理想的水系锌离子电池正极材料。然而,Zn2+在其晶体结构中嵌入/脱出时,存在固有的反应动力学缓慢、不可逆的结构劣化等问题,导致电化学性能衰减,这限制了其进一步发展。

图1:Zn3V3O8合成及形态演化示意图

近日,我校李俊教授和金辉乐教授、中国科学技术大学陈涛教授等人提出了以“富锌”的钒基化合物Zn3V3O8(ZVO)为前驱体,通过原位电化学诱导脱去多余锌离子的策略,构建了锌离子和水分子共插层的Zn0.52V2O5-a·1.8H2O (ZVOH)正极用于高性能的水系锌离子电池。

(a) ZVO多面体的XRD谱图和(b)晶体结构示意图。(c, d, e, f) ZVO的SEM,TEM,HRTEM和SAED谱图。(g) ZVO的STEM图和相应的元素映射图。

不同于钒氧化物层间预插入金属离子的策略,非原位XRD,Raman,TEM-EDS和ICP结果显示,ZVO中本就含有大量Zn2+,相变过程中ZVO中多余的Zn2+被脱去转化为Zn2+和H2O分子共插的层状Zn0.52V2O5-a·1.8H2O结构。存在于层间的Zn2+起到稳固钒氧化物结构的支柱作用,提高材料的稳定性,水分子的电荷屏蔽作用,有利于Zn2+的快速嵌入和脱出。Zn0.52V2O5-a·1.8H2O作为水系锌离子电池正极,展现出优异的倍率性能和循环稳定性,在20 A g-1的大电流密度下循环18000次后容量保持率为95.4%。这种以“富阳离子”钒氧化物为前驱体的原位自转化策略,为解决水系锌离子电池正极材料结构衰退问题提供了一种新思路。

(a)ZVO到ZVOH的相变示意图及ZVOH电极上的电化学反应机理。Zn//ZVOH电池的电化学性能:(b)比电流为0.2 ~24A g-1时的倍率性能。(c, d) ZVOH在0.2和5A g-1时的循环性能。(e) ZVO在20A g-1大电流密度下循环18,000次的长期循环性能。

(a) ZVOH的非原位XRD谱图及0.2A g-1时相应的充放电曲线(b)Zn-2p和(c)V-2p的非原位XPS谱图,(d) ZVO在Dis-0.2-2nd、Cha-1.6-2nd和Cha-1.6-20th的HRTEM图像,(e) ZVO在Dis-0.2-2nd、Cha-1.6-2nd和Cha-1.6-20th的STEM图像和的Zn、V和O元素映射。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上,文章的第一作者是中国科学技术大学博士研究生梁文浩和江苏大学饶德伟副教授,金辉乐与李俊教授为该论文共同通讯作者。