层间掺杂策略助力提升锌离子电池V2O5正极材料的储锌性能

纳米人

2019-12-02

第一作者：Hongbo Geng

通讯作者：李成超

通讯单位：广东工业大学

研究亮点：

1. 锰离子掺杂V₂O₅与层间水分子协同作用，同时锰离子柱撑作用以及局域电荷相互作用提升了电极材料的稳定性。

2. 锰离子掺杂V₂O₅表现出高的可逆容量和循环稳定性，同时在-20 ^oC低温条件下具有优异的电化学性能。

锌离子电池正极材料研究挑战

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大以及循环寿命长等优点，已经被广泛应用于各种便携式电子设备以及电动汽车等领域。然而，锂资源的稀缺性以及成本问题制约了锂离子电池在大规模储能系统中的应用。相对于锂而言，锌元素在地壳中的分布广泛、储量丰富，使得锌离子电池具有明显的资源优势以及价格优势。然而，带有多价态电子的锌离子在正极材料中嵌脱缓慢，动力学性能较差，严重影响了电池的比容量、循环稳定性和倍率性能。因此，仍需开发新型高性能正极材料。

成果简介

鉴于此，广东工业大学的李成超教授团队利用层间锰离子与水分子掺杂来协同提高五氧化二钒正极材料的锌离子传输动力学，并研究了其作为锌离子电池正极材料的电化学储锌性能和机理。

图1. DFT计算Mn²⁺掺杂V₂O₅电子密度。

要点1：Mn_0.15V₂O₅·nH₂O优异的电化学性能

结果表明，合成的Mn_0.15V₂O₅·nH₂O表现出优异的锌储存性能，其可逆容量高达367 mAh g^-1（0.1 A g^-1）。在10和20 A g^-1的大电流密度下循环8000圈后，其比容量仍能保持在153和122mAh g^-1。即使在-20 ^oC的低温下，电流密度为2.0 A g^-1时，循环2000圈，比容量可以稳定在100 mAh g^-1。

图2. Mn_0.15V₂O₅·nH₂O正极材料的结构、形貌以及电化学性能。

要点2：锰离子掺杂机理探究

该材料优异的电化学主要归根于其层间掺杂锰离子与水分子的协同作用，不仅提高了电极材料电子导电性，而且有效增强了锌离子嵌入脱出动力学。并且由于离子柱撑作用以及局域电荷相互作用，该电极材料在循环过程中的结构稳定性得以大幅提升。

图3. 非原位XRD、XPS、TEM等表征技术。

小结

该工作借助非原位XRD、TEM等表征技术，对Mn_0.15V₂O₅·nH₂O电极材料的物相结构、微观形貌在充放电过程中的变化进行了深入研究，揭示了其电化学储锌机理，为高倍率、长循环性能锌离子电池正极材料的设计合成提供了依据。

电池学术QQ群：116212839

参考文献

GengH, Cheng M, Wang B, et al. Electronic Structure Regulation of Layered VanadiumOxide via Interlayer Doping Strategy toward Superior High‐Rate and Low‐TemperatureZinc‐Ion Batteries. Advanced Functional Materials, 2019.

DOI:10.1002/adfm.201907684

https://onlinelibrary_wiley.xilesou.top/doi/abs/10.1002/adfm.201907684

作者介绍

李成超，博士，教授，珠江学者，博士生导师，2013年获湖南大学/新加坡联合培养博士学位，广东工业大学百人计划特聘教授引进人才。目前从事新能源材料的设计合成与能源存储研究。在低维多孔材料制备与电化学储能材料及器件研究领域做出了一系列创新性的工作，取得了一批具有国际先进水平的研究与应用成果。研制出高能量密度、高功率密度和柔性器件用碳复合电极材料及电化学储能器件，部分成果实现了产业化。近五年，主持了自然科学基金项目 2 项、湖南省自然科学基金2项、省部级课题4项，学术新人奖项目1项，并作为主要参与人参加了多项新加坡教育部科学基金，国家自然科学项目，重点项目等。以第一作者/通讯作者身份在Journal of the American ChemicalSociety、Advanced Materials、AdvancedFunctional Materials等国际权威期刊上发表高水平学术论文56 篇，共发表论文近100篇。

目前因课题组发展需要，现向海内外公开招聘青年百人与博士后若干名，具体如下：

研究方向：

1.高性能锂、钠、锌离子电池电极材料研究；

2.电催化 (HER, OER, ORR) 材料研究。

“青年百人计划”A层次（校内副教授）：

应聘条件：年龄在35周岁以下，博士毕业于境外知名大学、国内知名高校或科研院所，并且博士指导老师或合作导师为国家级人才。拥有一年以上的境外学习工作经历，并且博士指导老师或合作导师为国际知名学者。近五年以第一作者在本学科公开发表高水平学术论文5篇以上，其中，理、工科人才须公开发表本学科TOP期刊/高被引/热点研究论文分别达2篇、1篇以上或主持国家级科研项目/课题1项以上。

相关待遇：聘用后享受校内副教授学术待遇，除正常工资外，学校还提供青年百人岗位津贴10万元/年，合计年薪税前33万元起；提供周转住房一套和租房津贴，安家费（含购房补贴）40万元；科研启动经费理工科类40万元（文科类20万元），并配备相应的实验室条件建设和科研用房等。

“青年百人计划”B层次（校内讲师）：

应聘条件：年龄在35周岁以下，博士毕业于境外知名大学、国内知名大学或科研院所，且博士指导老师或合作导师为国家级人才，或拥有一年以上的境外学习工作经历，且博士指导老师或合作导师为国际知名学者。近五年以第一作者在本学科公开发表或已被录用高水平学术论文3篇以上，或近五年以第一作者在本学科发表TOP期刊/高被引/热点研究论文1篇以上，或主持国家级科研项目/课题1项以上，或经国内外知名专家推荐，由学校学术委员会等学术机构认定为学术科研能力突出者。

相关待遇：聘用后享受校内讲师待遇，除正常工资外，学校还提供青年百人岗位津贴6万元/年，合计年薪28万元起；提供周转房一套和租房津贴，安家费（含购房补贴）20万元；科研启动经费理工科类20万元（文科类10万元），并配备相应的实验室条件建设和科研用房等。

博士后招聘：

博士后工资实行年薪制，包括基础年薪与科研奖励。基础年薪包括国家（广东省）拨款，学校承担的生活补贴、租房补贴、社会保险及住房公积金，合作导师承担的工作津贴。

1.A层次：基础年薪30万元起+科研奖励

2.B层次：基础年薪26万元起+科研奖励

科研奖励：在站期间获得国家基金（含青年基金）或中国博士后科学基金特别资助者，学校一次性发奖励5万元。在站期间获得的高水平科研成果（论文、专利、项目等）奖励按学校相关科研奖励办法给予奖励。

其他福利：

1.社保待遇。学校按规定为在站博士后缴纳社会保险和住房公积金。个人应缴纳部分由学校从其年薪中扣除并代缴。

2.住房。在站期间，学校安排入住博士后公寓，房租及水电等费用按学校标准由个人缴纳。同时发放租房补贴3000元/月。

3.职称。未取得中级职称资格的博士后，进站满3个月后，可申请认定助理研究员任职资格。在站期间可申报职称。

4.留校政策。出站考核评定等级为优秀的博士后可按学校“青年百人计划”作为高层次人才引进，同等条件下优先考虑。

5.博士后人才项目。学校鼓励和支持博士后申请各类博士后人才项目。获得人才项目的在站博士后，工资待遇除享受学校年薪外，同时享受人才项目资助经费。由于部分人才项目资助经费与国家（广东省）正常年均拨款不叠加，学校将按政策规定发放人才项目资助经费。

招聘长期有效，有意向者请将个人相关信息（含个人简历及研究成果）发至licc@gdut.edu.cn，博士后应聘者请将邮件主题命名为：“姓名-应聘XX”，并在邮件中注明可到岗时间。此外，课题组也常年招生硕士和博士生，欢迎报考。

诚挚欢迎有志于在相应研究领域中得到锻炼、做出成果的优秀人才加入我们的团队共同奋斗。