華中科大蔣凱&王康麗Energy Storage Mater. : 基于Na3V2(PO4)2F3正極的長壽命水溶液鋅離子電池

【引言】

可再充電的“搖椅型”水系鋅離子電池具有成本低廉、安全性高、環境友好、組裝方便等優點，是一類潛在的儲能技術。然而，一般的正極材料在二價鋅離子嵌脫過程存在結構不穩定和擴散緩慢的問題；同時，鋅負極在循環過程中極易形成枝晶，導致電池短路。因此，尋找合適的正極材料和有效抑制鋅枝晶的方法，是一個巨大的挑戰。

【成果簡介】

近日，華中科技大學蔣凱和王康麗教授（共同通訊作者），成功開發了Na₃V₂(PO₄)₂F₃正極材料(N₃VPF@C)，同時通過修飾金屬Zn負極（CFF-Zn），組裝了CFF-Zn// N₃VPF@C水系鋅離子電池。該電池體系具有1.62V電壓，97.5Wh/kg的能量密度和長達4000圈的循環壽命(95%容量保持率)。作者通過非原位XPS、XRD和SEM mapping等表征了電池的機理。值得注意的是，基于CFF-Zn//N₃VPF@C的軟包電池同樣具有良好的循環性能。相關成果以題為“A long-life aqueous Zn-ion battery based on Na₃V₂(PO₄)₂F₃ cathode”發表在了Energy Storage Materials?上。

【圖文導讀】

圖1?材料結構和電池性能表征

a）N₃VPF@C的XRD圖譜；插圖為N₃VPF@C的SEM圖；

b）CFF-Zn//N₃VPF@C電池的CV曲線；

c）CFF-Zn//N₃VPF@C電池的充放電曲線；

d）CFF-Zn//N₃VPF@C電池結構和機理示意圖；

圖2?電池電化學性能表征

a）CFF-Zn//N₃VPF@C電池的倍率容量性能；

b）CFF-Zn//N₃VPF@C電池的不同倍率下的充放電曲線；

c）CFF-Zn//N₃VPF@C電池在200mA/g電流密度下循環性能；

d）Zn//N₃VPF@C電池在200mA/g電流密度下循環性能；

e）CFF-Zn//N₃VPF@C電池在1000mA/g電流密度下循環性能；

圖3? Zn 和CFF-Zn形貌表征

a）原始Zn的SEM照片；

b）循環后Zn的SEM照片；

c）原始CFF-Zn的SEM照片；

d）循環后CFF-Zn的SEM照片；

圖4?循環前后N₃VPF@C電極的表面結構變化

a）不同充放電狀態下Zn2p的XPS圖譜；

b）不同充放電狀態下V2p的XPS圖譜；

c）不同充放電狀態下C1s的XPS圖譜；

d）不同充放電狀態下F1s的XPS圖譜；

圖5?? N₃VPF@C電極不同充放電狀態下的結構變化

圖6??CFF-Zn//N₃VPF@C軟包電池的性能

a-e）?CFF-Zn//N₃VPF@C軟包電池的數碼照片；?

f）?CFF-Zn//N₃VPF@C軟包電池的循環性能；

【小結】

該研究展示了一種新型的鋅離子電池正極材料和抑制鋅枝晶的方法，并構建了高電壓、長壽命的“搖椅型”CFF-Zn// N₃VPF@C水系鋅離子電池。發現，N₃VPF@C正極材料的穩定性主要來源于其高度可逆的V³⁺ ? V⁴⁺電對、正極表面形成的SEI膜和正極忽略不計的體積變化（0.22%）。而Zn負極通過簡單的碳膜修飾，可以有效抑制鋅枝晶的生成。該研究結果和策略，有望為水系鋅基電池提供新的思路和方法。

文獻鏈接：A long-life aqueous Zn-ion battery based on Na₃V₂(PO₄)₂F₃ cathode （Energy Storage Mater.,?2018，DOI：10.1016/j.ensm.2018.03.003）

感謝華中科大蔣凱和王康麗教授課題組的供稿！

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