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中南大学周江&梁叔全EnSM丨水热法合成Ag0.4V2O5材料,首次应用于水系锌离子电池正极

通过水热法成功合成了Ag0.4V2O5材料,并将其首次应用于水系锌离子电池正极,研究表明,Ag0.4V2O5具有优越的电化学性能

   近年来,水系锌离子电池由于具有成本低、稳定性高、理论容量高及锌资源丰富等突出优点而受到广泛关注;然而,以往的报道中关于水系锌离子电池的储锌机理仍然存在一些争议,且正极材料仍然存在容量低、循环稳定性差等缺点。在锂离子电与钠离子电池中取代/嵌入共反应(CDI,CombinationDisplacement/Intercalation)机理已被证明,而在水系锌离子电池中还没有相关的研究。

最近,中南大学周江特聘教授和梁叔全教授(共同通讯)带领的团队通过水热法成功合成了Ag0.4V2O5材料,并将其首次应用于水系锌离子电池正极,研究表明,Ag0.4V2O5具有优越的电化学性能。最后,作者也通过电化学机理分析发现,Ag0.4V2O5在充放电过程中会经历取代/嵌入共反应(Combination Displacement/Intercalation),其中,放电过程中有新相钒酸锌与单质银生成,有利于提升电化学性能与导电性。该文章在国际著名期刊Energy Storage Materials上发表,题为:Observation of Combination Displacement/Intercalation Reaction in Aqueous Zinc-ion Battery。

【核心内容】

在水系锌离子电池中观察到新的能量存储机理:取代/嵌入共反应

图1.(a)XRD图谱,(b-d)TEM、HRTEM图像与对应的SAED图谱。

在水系锌离子电池中观察到新的能量存储机理:取代/嵌入共反应

图2.(a)0.1mV/s的扫描速度下、0.4-1.4V的电压区间内的CV曲线,(b)0.5A/g的电流密度下的充放电曲线,(c)在0.1, 0.3, 0.5, 1.0 与 2.0A/g的电流密度下的倍率性能,(d)5A/g与(e)10A/g的电流密度下的循环性能

在水系锌离子电池中观察到新的能量存储机理:取代/嵌入共反应

图3.(a)0.1A/g的电流密度下的非原位XRD图谱,(b)Ag 3d,(c)V 2p XPS图谱(d)在完全放电状态下的EDS元素mapping图像,(e)在完全放电状态下与(f)完全充电状态下的非原位HRTEM图像与对应的SAED图谱。

在水系锌离子电池中观察到新的能量存储机理:取代/嵌入共反应

图4. Ag0.4V2O5在充放电过程中取代/嵌入共反应的机理图

Ag0.4V2O5电极展现出了优越的电化学性能,在5A/g的电流密度下,1000圈循环之后仍然具有216mAh/g的容量,并且在10A/g的电流密度下,2000圈循环之后仍保持155mAh/g的高容量(详见论文)。

通过非原位XRD、TEM与XPS等实验表征技术,作者可以清楚地观察到放电过程中Zn2(V3O8)2与Ag0的出现。基于以往的报道与作者的研究,我们可以合理地推断,新相Zn2(V3O8)2的形成有助于电化学性能的提升,并且金属Ag0可以增强导电性、提高倍率性能。

根据作者的分析,Ag0.4V2O5电极优越的电化学性能可能是由于以下原因

(1)取代/嵌入共反应提供了更多的电子转移,导致更高的放电容量;

(2)原位生成的高导电性的Ag0使得Ag0.4V2O5电极具有卓越的倍率性能,因而电极可以在5A/g与10A/g的电流密度下循环上千圈;

(3)隧道结构的Ag0.4V2O5在充放电过程中展现出了很好的可逆性,有利于长周期循环稳定性能;

(4)优良的赝电容性能与快速的离子扩散效率也有利于获得好的性能

Lutong Shan, Yongqiang Yang, Wanying Zhang, HuijieChen, Guozhao Fang, Jiang Zhou*, Shuquan Liang*, Observation ofcombination displacement/intercalation reaction in aqueous zinc-ion battery, Energy Storage Materials, 2018, DOI:10.1016/j.ensm.2018.08.008

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