麥立強&晏夢雨Adv. Energy Mater.: 鈉離子穩定的釩氧化物納米線正極用于高性能鋅離子電池

【引言】

作為鋰/鈉離子電池的替代品，可充電的水系鋅離子電池 (ZIBs) 由于其低成本、安全、環保的優點得到了持續的關注。與此同時，使用水相電解液取代有機電解液對于降低電池成本以及減少環境污染具有重要意義。然而，由于Zn²⁺較高的極化作用以及較窄的適用電壓范圍，很難找到合適的正極材料作為Zn²⁺插層的主體材料。近來，研究人員對釩基材料用于Zn²⁺的可逆插層進行了探索。過去的數十年間，層狀釩氧化物由于其低成本和高容量，應用于鋰/鈉離子電池的電極材料。一般來說，塊體釩氧化物在離子嵌入/脫嵌過程中由于導電率低、結構穩定性差常發生快速容量衰減現象。研究表明，插層金屬離子(M_xV_nO_m，M為金屬離子)可以有效增強層狀釩氧化物的穩定性。

【成果簡介】

近日，武漢理工大學麥立強教授、晏夢雨博士(共同通訊作者)等報道了有關水系Zn//Na_0.33V₂O₅電池設計和構筑的開創性工作，并在Adv. Energy Mater.上發表了題為“Sodium Ion Stabilized Vanadium Oxide Nanowire Cathode for High-Performance Zinc-Ion Batteries”的研究論文。Na_0.33V₂O₅(NVO)電極在0.1 A·g^-1下具有高達367.1 mAh·g^-1的容量，長期循環穩定性良好，1000圈循環后仍保留超過93%的容量。研究人員通過單根納米線器件證實了[V₄O₁₂]_n層間鈉離子的插入增強了導電性。此外，通過X射線衍射等表征手段證實了可逆插層反應機理。優異的性能應歸因于NVO穩定的層狀結構以及較高的導電性。這項工作也表明層狀結構材料方面在ZIBs正極領域具有很大的應用潛力。

【圖文簡介】

圖1 NVO納米線的晶體結構、形貌表征

a) NVO納米線的XRD圖譜，內插為NVO納米線的晶體結構示意圖；

b) NVO納米線的Raman光譜；

c) NVO納米線的FESEM圖像；

d) NVO納米線的TEM圖像；

e) NVO納米線的HRTEM圖像，內插為SAED圖像；

f) NVO納米線的元素分布。

圖2 NVO納米線的電化學性能

a) 0.1 mV·s^-1掃速下，0.2-1.6 V范圍內NVO電極的CV曲線；

b) 0.2 A·g^-1下，NVO的恒電流充/放電曲線；

c) 0.2 A·g^-1下，NVO的循環性能；

d) NVO的倍率性能；

e) 1.0 A·g^-1下，NVO的循環性能。

圖3 單根納米線器件證實NVO導電性增強

a) 不同循環次數后NVO的交流阻抗曲線；

b) NVO和V₂O₅首次循環后的交流阻抗曲線；

c) NVO單根納米線的SEM圖像；

d) NVO和V₂O₅的I–V曲線。

圖4 可逆插層反應機理證實

a) 不同充/放電狀態下，NVO電極的非原位XRD圖譜；

b) 0.2 A·g^-1下，相應的充/放電曲線；

c) NVO電極儲鋅機理示意圖；

d) 3次循環后充分放電的NVO電極的TEM圖像；

e) 3次循環后充分放電的NVO電極的元素分布。

f) 100次循環后NVO電極的SAED圖像；

g) 100次循環后NVO電極的HRTEM圖像。

【小結】

該工作首次設計構筑了由NVO納米線正極、3M Zn(CH₃F₃SO₃)₂電解質和鋅負極組成的水系Zn//NVO電池。上述NVO電極具有較高的比容量(0.1 A·g^-1時367.1 mAh·g)、長期循環穩定性(1000圈循環后保留超過93%比容量)以及良好的倍率性能。通過單根納米線器件證實了[V4O12]n層間鈉離子的插入增強了導電性。此外，通過XRD、Raman、XPS、SEM和TEM分析等表征手段證實了可逆插層反應機理。優異的性能應歸因于NVO穩定的層狀結構以及較高的導電性。這項工作也表明層狀結構材料方面在ZIBs正極領域應用潛力巨大。本項目受到科技部重點研發計劃(2013CB934103)，國家杰出青年基金(51425204)等項目的支持。

文獻鏈接：Sodium Ion Stabilized Vanadium Oxide Nanowire Cathode for High-Performance Zinc-Ion Batteries?(Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702463)

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