全南國立大學Nano Lett. ：水系二次鋅離子電池的Na2V6O16?3H2O負極材料具有高穩定性和能量

【引言】

當前鋰離子電池已經廣泛應用在手機、電腦和其他生活常用的移動電子設備。但是鋰離子電池不可避免的具有毒性、安全性問題和有機電解液成本較高等問題。水系電解液是替代有機電解液的良好選擇，目前已經得到了大量的關注。因為水系電解液具有價格低廉、容易合成、離子導電率較高、倍率性能較好和功率密度較高的特點。目前鋅離子電池和鈉離子電池是低價格、高容量、高導電性和資源儲量豐富的優勢。但是鋅離子電池比鋰離子電池和鈉離子電池更安全、成本更低、更容易大規模應用。其中鋅離子電池的比容量低、循環壽命差、因此很難大規模應用。因此開發新型的負極材料就變得非常重要。本文研發了Na₂V₆O₁₆·3H₂O負極材料，成功提高鋅離子電池的性能，同時揭示了其儲能機理。

【成果簡介】

近日，韓國全南國立大學的Jaekook Kim（通訊作者）等人，研究發鋅離子電池的Na₂V₆O₁₆·3H₂O納米棒負極材料具有很高的儲能。本文采用原位同步XRD技術揭示了鋅離子嵌入和脫出的機理，解釋了負極材料的儲能機制。這種負極材料具有很高的倍率性能和很高的效率，即在40 C（1 C=361 mA·g^-1）循環1000圈后，其容量保持仍在80 %以上。在比功率為15.8 KW·kg^-1時，其比能量為90 Wh·kg^-1。相關成果以“Na₂V₆O₁₆·3H₂O Barnesite Nanorod: An Open Door to Display a Stable and High Energy for Aqueous Rechargeable Zn-Ion Batteries as Cathodes”為題發表在Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖1 Na₂V₆O₁₆?3H₂O的XRD、SEM及TEM結構表征

（a）Na₂V₆O₁₆?3H₂O前驅的PXRD圖譜；

（b）NVO納米氧化棒的高分辨SEM圖像；

（c）Na₂V₆O₁₆?xH₂O的高分辨晶格條紋相；

（d）Na₂V₆O₁₆?xH₂O的晶體結構（插入圖是平行于c軸，低分辨TEM圖像）。

圖2 NVO負極材料的CV和循環圖

（a）NVO負極材料的CV圖像；

（b）不同電流密度下，電池的充放電曲線；

（c）電池的500圈的循環性能。

圖3 NVO負極材料的倍率和循環性能圖

（a）不同電流密度下，NVO負極材料的倍率性能圖；

（b）不同電流密度下，NVO負極材料的循環性能圖。

圖4 原位充放電過程中的XRD圖譜

（a）在300 mAg^-1的電流密度下，電池的循環充放電圖；

（b，c，d）充放電中，不同衍射角區間的原位XRD圖。

圖5 首次充放電后，負極材料的XRD和TEM圖像

（a）NVO負極材料充放電后的非原位XRD圖譜；

（i）首圈放電后，非原位的低分辨TEM圖像；

（ii）是（i）的放大圖；

（iii）首次充電后，非原位的低分辨TEM圖像；

（iv）是（iii）的放大圖。

圖6 首次充放電后的XPS圖及其負極材料的Ragone曲線

（a）首次放電到0.4 V 和充電到1.4 V后，V 2p和Zn 2p的非原位XPS圖；

（b）鋅電池不同負極材料的Ragone曲線。

【小結】

本文發現了層狀Na₂V₆O₁₆·3H₂O材料，作為鋅鋰電池的負極材料，具有優異的穩定性。在40 C的電流密度下，循環1000圈后，其可逆容量仍達到128 mAh·g^-1。在比功率密度為15.8 KW·kg^-1時，其比能量密度為90 Wh·kg^-1。本文結合原位和非原位的結構分析，發現這種負極材料的具有高比能量的儲能機制。本文為水系二次電池的研究，打開了新的視野。其中鋅為正極，水系ZnSO₄電解液，不需要活性炭（石墨烯、氧化石墨烯）支撐，對于下一代大范圍儲能設備的應用，這種組裝方式具有對環境友好、成本較低和負極材料特別穩定的特點。

文獻鏈接：Na₂V₆O₁₆·3H₂O Barnesite Nanorod: An Open Door to Display a Stable and High Energy for Aqueous Rechargeable Zn-Ion Batteries as Cathodes（Nano Letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05403）。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料牛專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。

材料測試，數據分析，上測試谷！