Adv. Energy Mater.: H2V3O8纳米线与石墨烯复合材料用作高性能水系锌离子电池正极

    在过去二十年间，为了逐渐摒弃对传统化石能源的依赖，对于风能、太阳能、潮汐能等可再生绿色能源的开发和利用越来越受到人们的重视。但是当利用这些能源发电的过程中，发电量和功率等会严重受到天气、季节等因素的影响。为了实现这些绿色能源的有效利用，将电能存储在大型储能设备中并在需要时输送到电网中是一种切实可行的方法。作为一种成熟的储能设备，人们首先想到的是具有高能量密度的锂离子电池。但是，当被用作大型储能设备时，除去能量密度以外，电池的成本、寿命和安全性等因素却更应该被视作首要条件。相较于有机体系锂离子电池，水系电池在这些方面有着得天独厚的优势。近些年，水系电池的发展十分迅速，其中包括一价的锂、钠、钾水系电池和二价的镁、锌水系电池等。其中，由于锌具有低价、稳定性高和理论比容量高（820 mAh g^-1）等特点，水系锌离子电池逐渐受到人们的重视，并被认为可以用于大型储能设备。但是目前阻碍水系锌离子电池发展的最大的问题是缺少合适的、具有良好电化学性能的正极材料。虽然锌离子的半径（0.74 Å）与锂离子半径（0.76 Å）相差无几，但是由于锌离子较大的离子质量和较强的正电性，其在晶体内部的传输会受到很大的抑制。因此，探索可用的高性能水系锌离子电池正极材料成为了当前的研究热点。

    近日，美国威斯康星大学麦迪逊分校王旭东教授课题组与吉林大学新型电池物理与技术教育部重点实验室魏英进教授课题组的研究人员共同开发出一种H₂V₃O₈纳米线与石墨烯复合材料H₂V₃O₈ NW/graphene，并用作水系锌离子电池正极。通过简单的一步水热合成方法使得H₂V₃O₈纳米线与石墨烯混合均匀并且充分地相互接触，保证了电荷在材料内部能够快速地传输。非原位XRD、Raman、XPS、HRTEM和STEM技术并结合DFT计算系统地研究了H₂V₃O₈在电化学反应过程中的结构变化和反应机理。结果表明，H₂V₃O₈晶体在充放电过程中会发生Zn²⁺离子与水分子共同嵌入和脱出，并且生成一种具有更大层间距的新相。而更大的层间距能够允许Zn²⁺离子在纳米线内快速并且可逆地嵌入和脱出。因此，作为水系锌离子电池正极，H₂V₃O₈ NW/graphene复合材料具有很高的比容量，在1/3C倍率下其放电比容量可以达到394 mAh g^-1。同时材料也具有优秀的倍率性能和长循环稳定性，在20C的倍率下仍然能够保持270 mAh g^-1的可逆比容量，经过2000次循环之后的容量保持率为87 %。以金属锌作为负极材料，电池在34 W kg^-1的功率密度下的能量密度为168 W h kg^-1。这种具有高能量密度并且安全耐用的水系锌离子电池在大规模储能领域具有很大的潜力。

    论文第一作者庞强为吉林大学和威斯康星大学麦迪逊分校联合培养博士生，共同通讯作者为王旭东和魏英进。相关工作发表在Adv. Energy Mater. (DOI: 10.1002/aenm.201800144)上。