哈爾濱理工Adv. Sci.：穩定的三氧化鉬納米線作為可充電鋅離子電池的新型超高容量正極

【引言】

多種價態和獨特的層狀結構的正交MoO₃納米材料是鋰離子電池和超級電容器的通用電極材料。MoO₃具有可逆的鋰離子插入/脫出能力。鑒于Zn²⁺（0.75 ?）和Li⁺（0.76 ?）的離子半徑接近，預計MoO₃作為ZIBs的高性能電極具有很好前景。但是，目前關于ZIBs中氧化鉬作為ZIBs電極的探索很少。因此，作者首先研究了正交晶系MoO₃納米線作為Zn²⁺儲存電極的電化學性質，并證明了它們作為ZIBs正極實現了高容量，這項工作開發了一種使用準固態電解質穩定MoO₃納米線的有效方法。

【成果簡介】

近日，中國哈爾濱理工大學的盧錫洪和陳明華（共同通訊）作者等人提出了正交晶系MoO₃作為ZIB中的超高容量正極材料，對Zn²⁺插層/脫嵌的MoO₃納米線的儲能機理及其電化學不穩定機理進行了研究和闡述。在充電/放電循環期間，MoO₃納米線的容量衰減，源于在水性電解質中MoO₃的溶解和結構坍塌。為此，開發了準固態聚（乙烯醇）（PVA）/ZnCl₂凝膠電解質來代替含水電解質，來穩定MoO₃納米線的有效策略。在6.0 A g^-1下，充電/放電循環400次后，組裝的ZIB的容量保持率顯著提高，從27.1％（在含水電解質中）增加到70.4％（在凝膠電解質中）。更值得注意的是，在0.4 A g^-1下，穩定的準固態ZIB實現了2.65 mAh cm^-2的面積比容量和241.3 mAh g^-1的質量比容量，這優于大多數最近報道的ZIB。相關成果以“Stabilized Molybdenum Trioxide Nanowires as Novel Ultrahigh-Capacity Cathode for Rechargeable Zinc Ion Battery”為題發表在Advanced Science上。

【圖文導讀】

圖 1 MoO₃納米線的結構表征

（a-c）MoO₃納米線的SEM、TEM和HRTEM圖像；

（d，e）MoO₃納米線的XRD圖譜及層狀晶體結構示意圖；

（f）Mo 3d的XPS光譜（插圖：Mo和O的原子百分比）。

圖 2 Zn//MoO₃電池的CV及充放電循環圖

（a）在2 M ZnCl₂電解質中，1 mV s^-1的Zn//MoO₃電池水溶液的CV曲線圖；

（b）在不同電流密度下，Zn//MoO₃電池的恒電流放電曲線；

（c）在6.0 A g^-1下，水電裝置的充放電循環及庫倫效率圖。

圖 3 MoO₃納米線充放電過程中的結構分析

（a）在不同電壓下，MoO₃的XRD圖譜；

（b）Mo 3d XPS光譜；

（c）在嵌入（0.2 V）和脫出（1.3 V）狀態下，MoO₃納米線的Zn原子百分比；

（d）浸漬不同時間后，原始MoO₃和脫出MoO₃水電解質的C_Mo；

（e）正交MoO₃電極的Zn²⁺嵌入/脫嵌機制的示意圖。

圖 4 準固態Zn//MoO₃電池的性能分析

（a）準固態Zn//MoO₃電池的示意圖；

（b）在6.0 A g^-1下，準固態Zn//MoO₃電池的循環性能；

（c）在不同循環后，水性和準固態電解質的C_Mo；

（d）在0.4 A g^-1下，水溶液和準固態Zn//MoO₃電池的充電/放電曲線；

（e）準固態Zn//MoO₃電池的容量和文獻對比圖。

圖 5 準固態Zn//MoO₃電池的Ragone圖及其應用

（a）準固態Zn//MoO₃電池的Ragone與文獻對比圖；

（b）準固態Zn//MoO₃驅動的LED燈電池的實物圖。

【小結】

本文的研究表明：MoO₃納米線的電化學不穩定性源于活性材料的破壞和溶解。進一步研究發現，PVA/ZnCl₂準固態電解質可以有效地解決這些問題。在循環400次后，MoO₃納米線正極的準固態電解質ZIB的容量保持率超過70.4％，顯著優于含水電解質的容量（27.1％）。此外，準固態電池的容量和能量密度，在0.4 A g^-1時達到2.65 mAh cm^-2（243.1 mAh g^-1），在9.79 mW cm^-3時，達到14.4 mWh cm^-3，優于大多數ZIB。這項工作發現準固態電解質可以穩定正極MoO₃的ZIB，并且提供超高容量的第一個例子，這將為先進儲能系統的探索提供新的見解。

文獻鏈接：Stabilized Molybdenum Trioxide Nanowires as Novel Ultrahigh-Capacity Cathode for Rechargeable Zinc Ion Battery（Advanced Science, 2019, DOI: 10.1002/advs.201900151）。

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