Small：通过在碳布上直接生长Zn2(V3O8)2阴极，提高材料利用率，实现高容量水系锌离子电池

锂电联盟会长 2023-07-27 10:14 1053浏览 0评论 0点赞

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文章信息

通过在碳布上直接生长Zn₂(V₃O₈)₂阴极，提高材料利用率，实现高容量水系锌离子电池

第一作者：任杰

通讯作者：王毓德*，雷勇*

单位：云南大学，德国伊尔梅瑙工业大学

研究背景

水系锌离子电池（AZIBs）由于具有较高的理论容量和安全性，已成为一种可能的候选储能装置。在众多钒基ZIBs阴极材料中，钒酸锌作为一种典型的充放电相备受关注。然而，到目前为止，大多数报道的钒酸锌的容量只有大约300 mAh g⁻¹或更低，我们认为这个值远远低于理论的最大容量。原因很可能是报道的钒酸锌正极材料使用了非导电粘结剂，导致活性物质被包覆，电子传输性差，限制了钒酸锌作为正极材料的利用。因此，如何提高钒酸锌的材料利用率是提高整个AZIBs装置阴极容量和能量密度的关键之一。

文章简介

鉴于以上研究背景，云南大学王毓德教授研究团队和德国伊尔梅瑙工业大学雷勇教授研究团队合作，提出了在碳布上直接制备电极材料Zn₂(V₃O₈)₂的方法，以实现钒酸锌作为AZIB阴极材料的高利用率。根据XPS结果，Zn₂(V₃O₈)₂的理论最大容量为423.30 mAh g⁻¹。发现相同材料在钛箔上的容量只有300.0 mAh g⁻¹，而在碳布上的容量为420.0 mAh g⁻¹。通过在集流体上直接生长活性物质，钒酸锌材料的利用率由69.60%提高到99.2%。由此证明，本文提出的在碳布上直接制备钒酸锌AZIBs阴极材料的方法，可以显著提高材料的利用率，非常接近其理论最大容量。碳布上阴极材料也可制成柔性AZIBs器件，适用性强。本文提出的提高AZIBs材料利用率和增强能量密度的方法，对其他电化学储能装置的研究有一定的借鉴意义。

图1. 直接在集流体上生长活性物质是一种提升材料利用率的有效方法。

本文要点

要点一：钒酸锌作为在一种水系锌离子电池充放电过程中的典型相具有优异的电化学动力学性能

钒酸锌作为在一种水系锌离子电池充放电过程中的典型相已经被不少文献所报道，但是在目前已知的文献中，钒酸锌阴极仅表现出了有限的容量（~300 mAh g⁻¹）和较差的电化学性能，这可能是因为阴极制备工艺中非活性物质的影响。因此，本论文在排除了阴极制备过程中的非活性物质后，通过GITT和DFT模拟发现钒酸锌阴极具有快速的锌离子扩散速率和较低的锌离子扩散能垒。

图1 电化学动力学: ZVO@CC的(a)循环伏安图，(b)扫数和峰电流之间的log(i) vs. log(v)的线性关系，(c) 0.1-1.0 mV s⁻¹下离子扩散和赝电容的贡献，(d) 0.05 A g⁻¹下恒流间歇滴定图，(e) DZn²⁺图，(f) EIS图，(g) Zn²⁺离子迁移途径和 (h) Zn²⁺离子扩散能垒

要点二：在集流体上直接生长活性材料能极大提高阴极材料的利用率

通过对钒酸锌的电化学动力学研究我们发现该材料具有优异的电化学性能，而在之前的报道中其表现出的有限的电化学性能可以被归因于电极制备过程中的非活性物质对阴极活性材料产生的包覆，非活性界面等不良影响，降低了阴极活性材料的利用率。因此，在本论文中采用在集流体上直接生长活性物质的方法制备水系锌离子电池的阴极材料，将钒酸锌的材料利用率由69.6%提升至99.2%，显著提升了阴极材料的电化学性能。

图2 电化学性能: ZVO@CC 在 (a) 0.1 mV s⁻¹下的循环伏安曲线，(b) 0.1 A g⁻¹下的GCD曲线，(c) 0.1 - 5.0 Ag⁻¹电流密度下的倍率性能，(d) Ragone图，(e) 2.0 Ag⁻¹下的长循环性能。

文章链接

Boosting material utilization via direct growth of Zn₂(V₃O₈)₂ on the carbon cloth as a cathode to achieve a high-capacity aqueous zinc ion battery

DOI: 10.1002/smll.202303307

通讯作者简介

王毓德教授简介：云南大学纳微复合材料与器件团队负责人，博士生导师。清华大学材料物理与化学专业博士，德国洪堡奖学金获得者，云南省中青年学术带头人，云南省有突出贡献优秀专业技术人才，享受云南省政府特殊津贴专家，云南省优秀教师，云南大学东陆学者。研究工作主要聚焦于低维纳米金属氧化物半导体材料、胶体量子点、氧化物/碳（碳纳米管、碳纤维、石墨烯等）复合材料、有机-无机复合材料等的制备及其性能，研究其在气体传感器、胶体量子点探测器、光（电）催化、水系电池、电化学传感以及电磁吸波方面等应用。在ACS Nano、Chemistry of Materials、Small等国际刊物上发表SCI收录论文200余篇，SCI引用1万余次（H-index 57）。多次主持多项国家级、省部级、校级科研项目，曾获云南省科学技术奖自然科学类二等奖2项、自然科学类三等奖2项、技术发明类三等奖1项、技术进步二等奖1项等。

雷勇教授简介：德国伊尔梅瑙工业大学应用纳米物理研究团队负责人，博士生导师。2001年毕业于中科院固体所，获得博士学位。2001-2003年在新加坡－麻省理工学院联盟、新加坡国立大学进行博士后研究。2003年起作为洪堡学者往德国卡尔斯鲁厄理工大学进行科学研究，2006年在德国明斯特大学担任研究团队负责人。2011年至今，在德国伊尔梅瑙工业大学担任全职终身教授。主要专注于功能纳米结构在能源存储和转换中的研究，在有序纳米结构、钾离子和钠离子电池等领域享有研究盛誉。目前已发表SCI论文280多篇，包括8篇Nature子刊，影响因子大于20的论文30篇，因子9-20的116篇，引用超过1.9万次（H-index 75）。雷勇教授作为项目负责人获得了欧洲研究理事会（ERC）、德国联邦教育与研究部（BMBF）和德国研究基金会（DFG）等多项重大研究项目（共超过700万欧元）。目前担任多个国际刊物的编委会成员：Advanced Energy Materials（因子27.8）编委；Energy & Environmental Materials（因子15.0）副主编；Science China Materials（因子8.1）编委；InfoMat（因子22.7）编委；Carbon Energy（因子20.5）编委；Journal of Semiconductors（因子5.1）副主编。

来源：科学材料站

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