AM: 水合二氧化钒纳米带高倍率性能Zn电池

纳米技术

2020-09-09

通过弱范德华相互作用，离子插嵌型材料能够用于赝电容能量储存中。有鉴于此，哈尔滨工业大学张乃庆、孙克宁等报道了一种制备具有合适传输路径的水合二氧化钒纳米带（HVO），该材料的插层赝电容反应机理被仔细研究，和电池型插层反应相比，该材料展现了高速率电容电荷存储性能。其中主要是由于HVO的缺陷型结构为离子的快速容纳和运输提供了合适的间隔空间。因此，HVO展现了快速Zn²⁺离子扩散，较低的Zn²⁺扩散能垒，电化学结果、插层赝电容展现了在0.05 A g^-1具有396 mAh g^-1可逆容量，并且在50 A g^-1较高的电流密度中保持88 mAh g^-1。

本文要点：

（1）

高倍率性能研究。在0.1~50 A g^-1倍率变化过程中，稳态电容分别能够保持在323，279，256，244，217，197，169，136，88 mAh g^-1，并且能够与碳材料适配，同时未见性能的衰减。对比VO样品在0.1~10 A g^-1倍率变化过程中发生严重的性能衰减（416，291，244，217，193，161，86，42 mAh g^-1）。

作者在10 A g^-1倍率条件中测试循环性能，发现经过1000次循环反应后，HVO电池的起始容量为156 mAh g^-1，并最高达到218 mAh g^-1，在1000次循环后仍保持了140 mAh g^-1。

（2）

通过恒电流间歇滴定技术GITT（galvanostatic intermittence titration technique）对离子扩散系数进行测试，结果显示插入/脱嵌过程中的D_Zn值在10^-8~10^-10 cm² s^-1之间，实现了快速的Zn插入/脱嵌过程。作者通过DFT模拟了Zn²⁺的扩散能垒，结果显示在HVO中Zn²⁺的能垒为-0.4 eV，VO样品中Zn²⁺的能垒为1.29 eV。该结果是由于其中缺陷位点和HVO中的结合水共同实现的，当计算中HVO消除缺陷位点后能垒达到1.14 eV。此外，作者发现在HVO中Zn²⁺和周围氧原子之间的相互作用降低，作者认为缺陷和晶体水降低了Zn²⁺的结合作用。以上结果验证了HVO的快速离子传输作用。

参考文献

Nannan Liu, Xian Wu, Lishuang Fan, Shan Gong, Zhikun Guo, Aosai Chen, Chenyang Zhao, Yachun Mao, Naiqing Zhang*, Kening Sun*

Intercalation Pseudocapacitive Zn2+ Storage with Hydrated Vanadium Dioxide toward Ultrahigh Rate Performance, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.201908420

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201908420