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锌离子电池:二氧化钒晶格隧道的超快锌离子嵌入和脱嵌

可再充的多价阳离子(铝离子、镁离子、钙离子和锌离子)电池由于具有丰富的储量越来越受到研究人员的青睐。在多价阳离子电池中,可充水系锌离子电池,由于锌具有低氧化还原电势(-0.76V相对于标准氢电势),可以同时实现电池低成本制备和安全使用;与此同时 水系电解质通常表现出大于1.0 S cm-1的高离子电导率(通常高于有机电解质三个数量级),使水系锌离子电池具有潜在的优异倍率性能,在大规模静态储能电站领域具有广阔的应用前景。

作为一种具有特殊晶格结构的钒的氧化物,二氧化钒(VO2(B))是由扭曲的VO6八面体通过共用晶格角和边缘形成隧道状晶格框架(晶格隧道尺寸分别为:沿着b轴为0.82nm2,沿着a轴为0.34nm2,沿着c轴0.5nm2),这样大尺寸的晶格隧道结构,对于金属离子的快速嵌入/脱嵌是十分有利的。虽然VO2(B)在有机电解质体系中用于碱金属离子的储存已经被广泛研究过,但在水系电解质中用于多价锌离子储存还处于空白。

锌离子电池:二氧化钒晶格隧道的超快锌离子嵌入和脱嵌

北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌老师课题组借助于原位X衍射等测试表征手段,详细地阐述了锌离子在二氧化钒晶格隧道中的可逆嵌入/脱嵌的赝电容和超快动力学行为。 测试表明,由于二氧化钒具有独特的大尺寸的晶格隧道结构,在锌离子嵌入和脱嵌的过程中二氧化钒的晶格结构变化不大,有效的促进锌离子的嵌入和脱嵌,从而表现出357mAh g-1的可逆比容量,优异的倍率性能(电流密度为51.2 A g-1时的比容量仍高达171 mAh g-1)和高能量和功率密度(在180 W kg-1时为297 Wh kg-1)。

可以预料,此项研究将会为开发出具有超高倍率性能的、基于隧道结构的锌离子电池正极材料,提供一种全新的思路。同时,也打开了二氧化钒这种具有特殊晶格结构和不同相结构的钒氧化物在水系锌离子电池应用的大门。所以,二氧化钒在锌离子电池的应用还有很大的研究潜力。

相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201800762)上。

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