繼鋰硫電池之后，誰會成為下一個可充電二次電池的新寵兒？

開發高能量密度、高倍率性能、低成本、安全可靠、長壽命的先進可充電電池技術，對于電動汽車和儲能電網等新興的大規模儲能應用具有重大的技術意義。盡管在便攜式電子市場上取得了商業上的成功，但鋰離子電池越來越被認為是不可持續擴大規模的，原因是鋰的含量有限，以及使用易燃有機電解液帶來的高安全風險。在這方面，開發基于天然豐富資源的水性可充電電池正成為當今一項緊迫而有吸引力的任務。在目前開發的鋰離子技術以外的水性電池中，由于鋅金屬陽極的獨特優勢，如價格低廉、環境友好性和相對較低的氧化還原電位（?0.762 V vs Zn/Zn²⁺）等使鋅離子電池占據了最廣泛的地位。此外，與鋰/鈉離子電池相比，雙電子（Zn^0/2+）氧化還原反應賦予鋅離子電池（ZIBs）更高的理論容量（820 mAh g^?1）。

1、Advanced Materials：通過原位聚苯胺插層調整V₂O₅中鋅離子嵌入/脫嵌的動力學可以改善水溶液中鋅離子的存儲性能

可充電鋅離子電池（ZIBs）是一種很有前途的鋰離子電池替代品。然而，開發的陰極材料存在Zn²⁺擴散動力學緩慢的問題，導致倍率性能差和循環壽命不足。在此，廣東工業大學李成超教授提出了一種聚苯胺（PANI）原位插層策略，以促進Zn²⁺在V₂O₅中的插層動力學。這樣，可以在V-O層之間交替地構造一個顯著增大的層間距離（13.90 ?），為Zn²⁺的快速擴散提供了加速通道。重要的是，PANI獨特的π-共軛結構可以有效地阻止Zn²⁺與宿主O^2-之間的靜電相互作用，這是阻礙Zn²⁺擴散動力學的另一個關鍵因素。結果表明，PANI插層的V₂O₅在重復的Zn²⁺插入和脫嵌過程中表現出穩定且高度可逆的電化學反應。通過第一性原理計算進一步清楚地揭示了Zn²⁺和主體O^2-之間的結合能顯著降低，這解釋了PANI插層V₂O₅的良好動力學。得益于此，PANI插層的V₂O₅電極的整體電化學性能顯著提高，在電流密度為20 A g^-1時，表現出197.1 mAh g^?1的優良高倍率性能，在2000次循環中容量保持率為97.6%。該成果以“Tuning the Kinetics of Zinc-Ion Insertion/Extraction in V₂O₅?by In Situ Polyaniline Intercalation Enables Improved?Aqueous Zinc-Ion Storage Performance”為題，發表在Adv. Mater.上。DOI: 10.1002/adma.202001113。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202001113.

2、Advanced Science：可調節層狀(Na,Mn) V₈O₂₀·nH₂O陰極材料實現高性能水溶液鋅離子電池

可充電水溶液鋅離子電池（ZIBs）在儲能方面有著廣闊的應用前景。然而，ZIBs的發展一直受到陰極候選材料有限的困擾，通常表現出容量低或循環性能差等缺點。因此，山東大學劉宏教授課題組報道了一種可逆的Zn/（Na，Mn）V₈O₂₀·nH₂O體系，在NaV₈O₂₀中引入錳離子形成（Na，Mn）V₈O₂₀，在電流密度為0.1A g^?1時，其電化學容量為377 mAh g^?1。通過實驗和理論分析，發現（Na，Mn）V₈O₂₀·nH₂O的優異性能歸因于Mn²⁺/Mn³⁺誘導的高電導率和Na⁺誘導Zn²⁺的快速遷移。作者探討了以鐵、鈷、鎳、鈣、鉀取代錳，從（Na，Mn）V₈O₂₀·nH₂O中衍生出的其它陰極材料，以證實過渡金屬離子的獨特優勢。隨著NaV₈O₂₀（Na_0.33，Mn_0.65）中Mn含量的增加，V₈O₂₀·nH₂O在1000次循環后可提供150 mAh g^?1的可逆容量和99%的容量保持率，這為開發高性能水系ZIBs開辟了新的道路。該研究成果以“Tunable Layered (Na,Mn)V₈O₂₀·nH₂O Cathode Material for High-Performance Aqueous Zinc Ion Batteries”為題，發表在Adv. Sci.上。DOI:?10.1002/advs.202000083。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000083.

3、Advanced Energy Materials：水性可充電鋅離子電池無枝晶陽極的策略

由于其經濟性、安全性和高能量密度，用于大規模生產儲能系統的水性鋅離子電池（ZIBs）一直受到關注。保證電極/電解液界面的穩定性對于延長循環性能以滿足電池充電的實際要求尤為重要。鋅陽極由于枝晶生長嚴重，循環壽命差，庫侖效率低，以及不可逆的副產物，如H₂和不活潑的氧化鋅。近年來，人們致力于鋅陽極保護以設計高性能ZIBs。然而，人們對鍍鋅/剝離的內在根源知之甚少，這大大阻礙了其潛在的應用。因此，復旦大學沈劍鋒教授團隊發表了一篇綜述文章，這篇綜述不是集中在電池指標上，而是深入研究觸發鋅離子沉積/溶解的基礎科學。此外，還著重介紹了近年來在調控鋅配位環境、均勻界面電場、誘導鋅沉積等方面的研究進展。最后，提出了設計高穩定性鋅陽極的展望和建議。該成果以“Strategies for Dendrite-Free Anode in Aqueous Rechargeable Zinc Ion Batteries”為題，發表在Adv. Energy Mater上。DOI：10.1002/aenm.202001599。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202001599.

4、Advanced Science：建立高倍率性能和超穩定無枝晶有機陽極為可再充水鋅電池

考慮到低成本、安全性和耐久性，與鋰離子電池相比，鋅離子水電池(ZIBs)是一種可用于大規模電網應用的替代能源存儲系統。然而，電池系統的可靠性一直受到巨大的鋅枝晶形成和“死鋅”的嚴重挑戰，從而導致循環穩定性低下，甚至電池短路。近日，哈爾濱工業大學張乃慶教授團隊報道了一種無枝晶的有機陽極，聚吡啶-3,4,9,10-四羧基二亞胺(PTCDI)聚合在ZIBs中使用的氧化石墨烯(PTCDI/rGO)表面上。理論計算證明了氧化還原電位低的原因。由于質子和鋅離子的共相轉移機理和較高的電荷轉移能力,PTCDI / rGO電極提供優越的倍率性能和長循環壽命(1500次后后保留96%的容量)。此外，還通過各種脫位方法闡明了活性材料的質子儲能機理。該成果以“Building High Rate Capability and Ultrastable Dendrite-Free Organic Anode for Rechargeable Aqueous Zinc Batteries”為題，發表在Adv. Sci.上。DOI:?10.1002/advs.202000146。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000146

5、Advanced Energy Materials：超長循環水溶液鋅離子電池八面體原位碳還原價態設計

近年來，可充電水溶液鋅離子電池（ZIBs）備受關注。然而，Mn²⁺的歧化效應嚴重影響了ZIBs在循環過程中的容量保持。近日，湖北大學王浩教授通過有效的價態設計，提高了Mn₃O₄陰極的容量保持率。Mn₃O₄的價態設計是由碳化過程中Mn金屬有機骨架原位生成的氧缺陷引起的。氧缺陷可以改變（MnO₆）八面體結構，提高結構穩定性，抑制Mn²⁺的溶解。由氧缺陷Mn₃O₄@C納米棒陣列(O_d-Mn₃O₄@CNA/CC）組裝的ZIB具有超長的循環壽命，在5 A g^?1下進行12000次循環后達到84.1 mAh g^?1（高達初始容量的95.7%）。此外，電池在0.2 A g^?1時具有396.2 mAh g^?1的高比容量。原位表征結果表明，初始Mn₃O₄轉化為斜方型MnO₂，用于H⁺和Zn²⁺的插入和脫嵌。電荷密度大大提高的原理之一是電荷密度的增加。此外，用O_d-Mn₃O₄@CNA/CC成功地組裝了柔性準固態ZIB。氧缺陷誘導的價態設計有助于開發水性ZIBs陰極。該研究成果以“Valence Engineering via In Situ Carbon Reduction on Octahedron Sites Mn₃O₄?for Ultra-Long Cycle Life Aqueous Zn-Ion Battery”為題，發表在Adv. Energy Mater.的期刊上。DOI:?10.1002/aenm.202001050。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202001050.

6、Energy & Environmental Science：高性能水溶液鋅離子電池鋅陽極材料和結構設計面臨的挑戰

可再充水金屬離子電池作為后鋰離子時代的替代性儲能裝置，具有綠色、安全等特點，具有廣闊的應用前景。水性鋅離子電池（ZIBs）由于其獨特而突出的優點，在各種水性金屬離子電池中得到了廣泛的研究。然而，ZIB中存在的鋅陽極問題如鋅枝晶和副反應嚴重縮短了ZIBs的循環壽命，從而限制了其實際應用。在這里，廣東工業大學李成超教授團隊詳細的總結了基于先進材料和結構設計的抑制鋅枝晶和鋅陽極副反應的總體策略的最新進展，包括平面鋅電極表面層的改性、鋅塊電極內部結構的優化、鋅陽極副反應的抑制，電解液改性及多功能隔膜的結構。討論了各種功能材料、結構和電池效率。最后，指出了ZIBs在生產功能性鋅陽極方面面臨的挑戰。該研究成果以“Challenges in Material and Structure Design of Zinc Anode toward High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發表在能源環境領域著名期刊Energy Environ. Sci.上。DOI:?10.1039/D0EE02079F。

原文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/EE/D0EE02079F#!divAbstract.

7、ACS Nano：超長壽命水溶液鋅離子電池用釩酸鉀/碳納米管膜

在各種儲能裝置中，水溶液鋅離子電池（ZIBs）因其安全性高、成本低而備受關注。層狀釩基化合物是水系ZIBs最有前途的陰極之一。然而，在工作過程中，它們經常會受到性能衰退的困擾。在此，南開大學牛志強教授制備了KV₃O₈·0.75H₂O（KVO）材料，并將其與單壁碳納米管（SWCNTs）網絡結合，得到了獨立的KVO/SWCNTs復合膜。KVO/SWCNTs陰極具有Zn²⁺/H⁺插入/脫嵌機制，離子轉移速率快。此外，KVO/SWCNTs復合膜具有分離網絡結構，提供了快速的電子轉移動力學，保證了KVO和SWCNTs在循環過程中的緊密接觸。因此，所制備的電池具有379 mAh g^-1的高容量，優異的倍率性能，超長的循環壽命高達10000次循環，高容量保持率為91%。此外，由于KVO/SWCNTs薄膜具有較高的導電性和柔韌性，在不同彎曲狀態下組裝了柔性軟包ZIBs，并表現出穩定的電化學性能。該研究成果以“Freestanding Potassium Vanadate/Carbon Nanotube Films for Ultralong-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題發表在材料領域著名期刊ACS Nano上。DOI:?10.1021/acsnano.9b10214。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b10214.

8、Angewandte Chemie International Edition：原位轉化V₂O₅原子層的高性能鋅離子電池陰極

開發高容量、穩定的陰極是水溶液鋅離子電池成功商業化的關鍵。純層狀五氧化二釩具有較高的理論容量（585 mAh/g），但容量衰減嚴重。在五氧化二釩中預插入陽離子可以極大地穩定性能，但以降低容量為代價。近日，南卡羅來納大學Kevin Huang教授報道了一個原子層沉積衍生的五氧化二釩，可以作為一個優秀的ZIBs陰極，具有高容量和優異的循環穩定性。作者首次報道了V₂O₅原子層快速轉化為Zn₃V₂O₇(OH)₂·2H₂O（ZVO）納米片簇，也是一種已知的鋅離子和質子插層材料。ALD-V₂O₅獨特的電化學性能源于其獨特的特性：高濃度的反應位點、與導電基底的牢固結合、納米厚度和無粘結劑的組成，所有這些都有助于離子傳輸并促進活性材料的最佳利用。作者還提供了不同鋅鹽水電解質的V₂O₅溶解機理及其對循環穩定性的影響的新見解。這個工作為開發高容量和穩定的商用ZIBs陰極提供了一個有吸引力的工程解決方案，并有助于對可充電水電池中離子儲存機理的基本理解。該項研究成果以“A High Performing Zn-ion Battery Cathode Enabled by in-situ Transformation of V₂O₅ Atomic Layers”為題，發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。DOI:?10.1002/anie.202006171。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202006171.

9、Advanced Functional Materials：局部Ostwald熟化引導溶解/再生到中國古代硬幣狀VO₂納米板，增強了鋅離子儲存的質量轉移

水溶液可再充鋅離子電池（ZIBs）中電極與電解液界面的電荷與傳質對電池的能量轉換和儲存具有重要意義。針對這些問題，如何合理設計和制備具有強傳質特性的獨特納米結構仍然面臨著巨大的挑戰。近日，復旦大學沈劍鋒教授團隊成功地制備了具有新穎的中國古代錢幣結構（厚度≈50 nm，直徑≈500 nm，中間有一個孔）的高度均勻、圓整的新型納米二氧化釩（VO₂）納米板。在水熱過程中，VO₂納米板經歷了一個有趣的Ostwald成熟引導的溶解-再生過程，形成了中國古代罕見的錢幣結構。令人印象深刻的是，基于豐富的電解可達位點和轉移途徑的結構優點，可以增強在制備的VO₂納米板電極表面的傳質。VO₂納米板進一步為可充電ZIBs提供高可逆比容量和倍率性能。因此，這項工作為設計獨特的納米結構釩氧化物以提高水溶液ZIBs的電化學性能提供了一條新的途徑。該研究成果以“Localized Ostwald Ripening Guided Dissolution/Regrowth to Ancient Chinese Coin-shaped VO₂?Nanoplates with Enhanced Mass Transfer for Zinc Ion Storage”為題，發表在Adv. Funct. Mater.上。DOI:?10.1002/adfm.202000472。

原文鏈：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202000472.

10、Energy Storage Materials：用強耦合非晶V₂O₅/石墨烯?2D異質結構構建高容量超長循環壽命水溶液鋅離子電池

水溶液鋅離子電池（ZIBs）是一種極具競爭力、極為安全的電化學儲能裝置，但由于陰極材料的結構不穩定，循環性差，容量難以達到預期要求。因此，大連化學物理研究所吳忠帥團隊報道了一種通用的2D模板離子吸附方法，用于組裝具有高度穩定的逐層堆疊結構和6 nm超薄厚度的2D非晶態V₂O₅/石墨烯異質結構，用于高安全、可充電的水性ZIBs。由于具有強協同效應的獨特特性，所制備的ZIBs在0.3 A/g時具有447 mAh/g的高容量，在30 A/g時的超大倍率下，容量為202 mAh/g，且循環壽命可達20000次，大大優于報道的釩基ZIBs。此外，采用掩模輔助過濾策略構建的新概念平面狀鋅離子微電池，在0.2 mA/cm²下具有63 mAh/cm³的大容量，49 mWh/cm³的高體積能量密度，強大的靈活性，以及串聯和并聯的模塊化集成，以提高容量和電壓輸出，顯示出作為微型電源的巨大潛力。因此，這種方法將為ZIBs和其它電池提供機會，以構建具有快速離子電子導電性的逐層堆積二維異質結構。該研究成果以“Layer-by-layer Stacked Amorphous V₂O₅/Graphene 2D Heterostructures with Strong-Coupling Effect for High-Capacity Aqueous Zinc-Ion Batteries with Ultra-Long Cycle Life”為題發表在Energy Storage Materials上。DOI: 10.1016/j.ensm.2020.06.010。

原文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829720302245?via%3Dihub

本文由科研百曉生供稿。

本內容為作者獨立觀點，不代表材料人網立場。

未經允許不得轉載，授權事宜請聯系kefu@cailiaoren.com。

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.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。