河北大學ACS Energy Letters：可充水系Zn-V2O5電池

【引言】

可充水系鋅電池在大規模儲能領域（如智能電網）中展現出了良好的應用前景。這得益于水系電解液具有高的安全性、良好的環境兼容性和優異的離子電導率；此外，鋅資源豐富、分布廣泛、化學穩定性高，可直接用作負極材料。然而，鋅離子電荷高且原子量大，在常規正極晶體結構中的脫嵌動力學緩慢，因此急需開發新型高性能儲鋅正極材料。層狀五氧化二釩（V₂O₅）具有廉價易得、理論容量高（589 mAh/g）等特點，被認為是一種有應用前景的儲鋅正極。然而，釩基氧化物在低濃度水系電解液中一般面臨著循環穩定性差和倍率不佳的問題。此外，盡管V₂O₅在鋰離子電池中已被廣泛研究且反應機理明確，但是多價態陽離子在其晶體結構中的脫嵌行為相對復雜，其儲鋅機理有待闡明。

【成果簡介】

河北大學張寧博士（通訊作者）等研究人員在美國化學會能源旗艦刊ACS Energy Letters (IF≈11) 上在線發表了題為“Rechargeable Aqueous Zn-V₂O₅ Battery with High Energy Density and Long Cycle Life”的文章。利用商業化的V₂O₅為正極，金屬鋅為負極，Zn(CF₃SO₃)₂水溶液為電解液，構建了高能量密度、長循環壽命的Zn-V₂O₅電池體系。通過電化學測試、TEM表征和XPS表征等分析方法，闡明了V₂O₅正極的儲鋅機理；通過使用所優化的高濃度水系電解液，顯著提升了Zn-V₂O₅電池的循環穩定性和倍率性能。

【圖文導讀】

圖1 可充水系Zn-V₂O₅電池的反應機理和循環穩定性。

（a）在3 M Zn(CF₃SO₃)₂水系電解液中，電池工作原理示意圖；（b）Zn-V₂O₅電池在0.2，0.5和1.0 mA/g的電流密度下的循環性能圖。

圖2：可充水系Zn-V₂O₅電池電化學性能表征。

（a）倍率性能;（b）充放電曲線；（c）Ragone曲線性能對比；（d）長循環穩定性；（e）微分電容曲線。

圖3：電化學反應動力學分析。

（a）不同掃速下的循環伏安曲線；（b）logi (電流) vs. logv（掃速）線性關系；（c）贗電容行為容量貢獻。

圖4：SEM和TEM表征。

（a）原始V₂O₅正極的SEM譜圖；（b）經歷1次，（c）10次和（d）100次循環后的V₂O₅電極的SEM譜圖；經歷100次循環后的正極（e）低倍和（f）高倍TEM譜圖。

圖5：V₂O₅正極儲鋅機理表征。

（a）第1次，2次和20次循環過程中的電池充放電曲線；（b）不同充放電狀態下的XRD譜圖；（c）活性中心釩元素在原始狀態和首次充放電后的XPS譜圖；（d）首次放電后，正極STEM圖和相應的（e）EDS線性掃描圖以及（f-h）Zn，V，O元素的EDS mapping譜圖。

【小結】

該研究成果報到了一種高性能的可充水系Zn-V₂O₅電池化學體系，揭示了V₂O₅正極材料的反應機理，即充放電過程中，水合鋅離子能夠可逆的在其層間脫嵌；闡明了共嵌入水分子的功能，其具有電荷屏蔽的作用，有利于陽離子的擴散；顯著提升了水系Zn-V₂O₅電池的循環壽命、倍率性能、以及高低溫電池性能。

文獻鏈接：Ning Zhang*, Yang Dong, Ming Jia, Xu Bian, Yuanyuan Wang, Mande Qiu, Jianzhong Xu, Yongchang Liu*, Lifang Jiao and Fangyi Cheng, Rechargeable Aqueous Zn-V₂O₅ Battery with High Energy Density and Long Cycle Life, ACS Energy Letters, 2018, DOI: 10.1021/acsenergylett.8b00565.

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