日期：
来源：能源学人收集编辑：Energist
可充水系锌基电池凭借理论容量高、成本低、安全性高和环境友好等优势在大规模储能领域展现出良好的应用前景。然而，二价锌离子与宿主材料之间的强静电相互作用会导致缓慢的离子扩散动力学，限制了水系锌基电池的发展。因此，设计能够快速、高效、稳定储锌的先进正极材料是推进水系锌基电池应用的关键之一。层状五氧化二钒（V2O5）由于钒氧化还原活性丰富、储锌容量高被认为是极具前景的储锌正极材料。目前，V2O5基正极的储锌机制主要依赖于锌离子在其边缘位点的嵌入/脱出实现层间储锌，但V2O5基面作为潜在的离子传输通道和储锌位点尚未得到充分利用。因此，打通V2O5基面，将该材料中传统二维锌离子扩散变革升级为更高效的三维离子传输，具有重要意义但也充满挑战。近日，北京科技大学曲选辉教授（通讯作者），刘永畅教授（通讯作者）和河北大学张宁教授（通讯作者）等研究人员通过溶剂热反应和退火处理制备了一种具有结构缺陷的分级多孔V2O5纳米片（porous V2O5/C）材料，成功解锁层状V2O5基面，在15 M LiTFSI + 1 M Zn(CF3SO3)2水系电解液（WIS）中实现了锂离子和锌离子沿五氧化二钒ab面和c轴方向的高效、可逆三维传输。所制备的富含结构缺陷的多孔V2O5纳米片垂直生长在碳布基底上，有效抑制了五氧化二钒层堆叠，有利于电解液充分浸润和离子快速扩散。得益于这些优势，该材料表现出极佳的倍率性能（0.2和100 A g−1下可逆容量分别为467.2和113.9 mAh g−1）和出色的循环稳定性（15000次循环后容量保持率为90.7%）。系统的电化学测试表明该材料具有较高的离子扩散系数，同时DFT理论计算证明了该材料中较低的Li+/Zn2+扩散能垒与可行的三维Li+/Zn2+混合离子传输机制。结合非原位XRD、Raman光谱、XPS、UV-Vis光谱等测试手段，对充放电过程中Li+/Zn2+共嵌入/脱出机理进行了深入研究。多种非原位表征配合三电极测试充分证明了porous V2O5/C电极在高电压（1.6-0.95 V）和低电压（0.95-0.2 V）区间分别表现为Li+/Zn2+共嵌入/脱出和Zn2+嵌入/脱出行为。值得注意的是，相比于单一Zn2+嵌入过程，Li+/Zn2+混合离子共嵌可以显著提高porous V2O5/C的能量密度（约58%）。此外，将porous V2O5/C正极、聚乙烯醇（PVA）/15 M LiTFSI + 1 M Zn(CF3SO3)2水凝胶电解质与锌箔负极匹配组装可穿戴准固态可充锌电池，展示出优异的循环稳定性、快充能力、柔韧性和低温性能，体现出良好应用前景。该研究工作以“Ultrafast 3D Hybrid-Ion Transport in Porous V2O5 Cathodes for Superior-Rate Rechargeable Aqueous Zinc Batteries”为题发表在Advanced Energy Materials。北京科技大学博士研究生王天浩和李省伟为本论文共同第一作者，本文同时得到南开大学焦丽芳教授，北京科技大学岩雨教授和高磊副教授的指导。图1：a）Porous V2O5/C中Li+/Zn2+沿c轴和ab面的三维传输示意图；b）Porous V2O5/C和bulk V2O5的XRD图谱；Porous V2O5/C的c) SEM图、d) TEM图和SAED图、e) HRTEM图、f）SEM-EDS mapping图。图2：a）Porous V2O5/C正极在0.1 mV s−1扫速下的CV曲线和b）0.2-1.6 V电压窗口内0.2A g−1电流密度下的恒流充放电曲线；c）Porous V2O5/C和bulk V2O5的循环性能；Porous V2O5/C的d）倍率性能和e）5 A g−1电流密度下的长循环稳定性；插图为循环寿命对比；f）Porous V2O5/C正极与已报道的水系锌基电池正极材料的功率和能量密度比较。g）DFT计算模拟porous V2O5/C晶格中锂离子和锌离子沿ab平面和c轴的扩散行为。图3：a）Porous V2O5/C在三电极电池中的恒流充放电曲线（采用15 M LiTFSI水系电解液）；Porous V2O5/C在b）不同倍率下的放电曲线和c）不同倍率下、不同电压区间内的容量保持率；Porous V2O5/C正极材料的d）GITT曲线及对应的离子扩散系数，e）不同扫速下的CV曲线，f）Log ip与log v线性关系，g）0.2 mV s−1扫速下的赝电容行为贡献量，h）不同扫速下赝电容行为贡献量。图4：a）0.2 A g−1下porous V2O5/C电极的首周充放电曲线；非原位b）XRD，c）Li 1s、d）Zn 2p、e）O 1s、f）V 2p XPS图谱和g）Raman光谱；完全放电和完全充电状态下的h）HRTEM图和i）STEM mapping图。图5：a）柔性准固态可充锌电池结构示意图；b）PVA/WIS水凝胶电解质的LSV和EIS曲线（内嵌）；c）0.1 mA cm−2电流密度下在PVA/WIS水凝胶电解质中的Zn沉积/剥离行为（内嵌为PVA膜照片）；准固态电池d）在不同弯曲状态下的循环性能，e）倍率性能，f）不同温度下的循环性能，g）点亮LED灯照片。本研究得到了国家自然科学基金（22075016和22075067），中央高校基本科研业务费（FRF-TP-20-020A3和QNXM20220060），北京科技大学青年教师学科交叉研究项目（FRF-IDRY-21-011），“小米青年学者”项目，国家重点实验室开放基金（2022Z-17），河北省自然科学基金（B2020201001）与北京材料基因工程高精尖创新中心111项目（B170003）的资助。Tianhao Wang, Shengwei Li, Xinger Weng, Lei Gao, Yu Yan, Ning Zhang,* Xuanhui Qu,* Lifang Jiao, Yongchang Liu,* Ultrafast 3D Hybrid-Ion Transport in Porous V2O5 Cathodes for Superior-Rate Rechargeable Aqueous Zinc Batteries, Adv. Energy Mater.2023, DOI: 10.1002/aenm.202204358.热忱欢迎有志于新能源粉体材料研究的博士后（长期招聘）、博士/硕士生加入！