Adv. Sci.：赝电容性钒氧化物的层间改性与Zn(H2O)n2+迁移调控助力超高倍率和耐用的水系锌离子电池

兔兔

2021-05-25

由于传统锂离子电池在应用中容易发生火灾等安全事故，高安全性能的电化学电池的市场需求急剧增加。因此，开发一种新型的离子电池来替代锂离子电池是十分必要的。在多价离子中，锌金属作为锌离子电池（ZIBs）的阳极电极材料具有具有低氧化还原电位（−0.76 vs.标准氢电极）、高容量（820 mAh g⁻¹）、易于生产、丰度高、本质上安全的特性。有鉴于此，兰州大学彭尚龙教授、湖北文理学院类淑来副教授等人采用层间改性和层间赝电容相结合的方法制备了水锌离子电池氧化钒电极。

本文要点：

1）采用自发化学合成方法制备了具有晶体结构缺陷、层间有水、层间距离大的插层赝电容型水合氧化钒Mn_1.4V₁₀O₂₄·12H₂O。插入的Mn²⁺与基体材料的氧形成配位键，增强了层间相互作用，防止结构破坏。

2）结合实验数据和DFT计算，发现Mn²⁺改善了水合氧化钒的结构稳定性，调整了电子结构，提高了水合氧化钒的电导率。此外，Mn²⁺改变了Zn²⁺的迁移路径，降低了迁移势垒，并提高了倍率性能。

3）因此，Mn²⁺插层的水合氧化钒电极在0.2 A g^-1时可提供456 mAh g^-1的高比容量，在40 A g^-1时可提供173 mAh g^-1的高比容量，在10 A g^–1电流密度下循环5000次的容量保持率高达80％。此外，根据计算得到的锌离子迁移系数和Zn(H₂O)_n²⁺扩散能垒，推测了Zn(H₂O)_n²⁺在钒氧化物电极中的可能迁移行为，为了解水系锌离子的迁移行为提供了新的参考。

Hangda Chen et al. Interlayer Modification of Pseudocapacitive Vanadium Oxide and Zn(H₂O)_n²⁺ Migration Regulation for Ultrahigh Rate and Durable Aqueous Zinc-Ion Batteries. Adv. Sci. 2021, 2004924.

DOI: 10.1002/advs.202004924.

https://doi.org/10.1002/advs.202004924