蘇州納米所張其沖等在柔性高比能水系鋅離子電池方面取得系列進(jìn)展
隨著可穿戴和便攜式電子產(chǎn)品的興起,促使電池向著高能量密度、長(zhǎng)壽命和柔性方向發(fā)展。水系鋅離子電池憑借安全性高、環(huán)境友好和水體系電導(dǎo)率高等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是下一代儲(chǔ)能電池的理想候選者。其中,柔性自支撐電極是實(shí)現(xiàn)可穿戴儲(chǔ)能器件的核心部分,它能夠避免粘結(jié)劑的使用,提高活性材料與電解液的接觸面積和電極整體的導(dǎo)電性。在眾多正極材料中,釩基材料,尤其是釩氧化物,具有可調(diào)節(jié)的層間距,可容納大量的鋅離子進(jìn)行能量存儲(chǔ)而被廣泛應(yīng)用于水系鋅離子電池。然而,釩氧化物有限的層間距限制了鋅離子嵌入/脫出、并在此過(guò)程中對(duì)其結(jié)構(gòu)造成破壞以及在水體系中的部分溶解等因素阻礙了層狀釩基材料的發(fā)展。
研究者利用鈉離子與聚苯胺共嵌入策略,制備了擴(kuò)大層間距的釩酸銨陰極材料(NaNVO-PANI),實(shí)現(xiàn)了高離子傳導(dǎo)和儲(chǔ)存的柔性鋅離子電池。鈉離子與帶負(fù)電的VOx層板間的靜電作用穩(wěn)定了層結(jié)構(gòu);聚苯胺將材料的層間距擴(kuò)大到了13.8 ?,這為鋅離子的嵌入/脫出提供了便利的通道。同時(shí)聚苯胺分子增加了活性材料的疏水性,從而抑制了NaNVO-PANI在水系電解液中的溶解。NaNVO-PANI作為柔性水系鋅離子電池正極材料時(shí),器件在0.5 A g-1電流密度下的質(zhì)量比容量為454.6 mAh g-1。即使在5 A g-1的高電流密度下也具有228.27 mAh g-1的質(zhì)量比容量。該成果以 Sodium-Ion and Polyaniline Co-Intercalation into Ammonium Vanadate Nanoarrays Induced Enlarged Interlayer Spacing as High-Capacity and Stable Cathodes for Flexible Aqueous Zinc-Ion Batteries為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊 Advanced Functional Materials上。論文第一作者為新疆大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生趙松,通訊作者為東南大學(xué)李雷博士、新疆大學(xué)吳冬玲教授和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所王永疆和張其沖項(xiàng)目研究員。
圖1. NaNVO-PANI的合成與性能測(cè)試
鋅離子與釩氧化合物晶體結(jié)構(gòu)之間的強(qiáng)靜電相互作用以及單一陽(yáng)離子氧化還原中心是開(kāi)發(fā)高比能水系鋅離子電池的絆腳石。東南大學(xué)尹奎波和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張其沖等通過(guò)原位陽(yáng)極氧化策略開(kāi)發(fā)了具有豐富缺陷和輔助陰離子氧化還原中心的自支撐無(wú)定形氧硫化釩(AVSO)正極。合成的無(wú)定形AVSO正極展示出Zn2+各向同性路徑和快速的反應(yīng)動(dòng)力學(xué),具有538.7 mAh g-1的高可逆容量和高倍率能力(在40 A g-1下237.8 mAh g-1)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模擬表明,釩陽(yáng)離子是主要的氧化還原中心,而AVSO正極中的硫陰離子是新增的氧化還原中心來(lái)補(bǔ)償活性位點(diǎn)的局部電子轉(zhuǎn)移。具有硫化學(xué)的無(wú)定形結(jié)構(gòu)可以承受Zn2+/H+插入時(shí)的體積變化,并削弱Zn2+與主體材料之間的靜電相互作用。因此,AVSO復(fù)合材料顯示出減弱的結(jié)構(gòu)退化和長(zhǎng)期可循環(huán)性(在40 A g-1下20000次循環(huán)后保持89.8%)。這項(xiàng)工作可以擴(kuò)展到多種氧化還原反應(yīng)的自支撐非晶正極材料,加快了設(shè)計(jì)超快和長(zhǎng)壽命可穿戴水系鋅離子電池的發(fā)展。該成果以Achieving Synergetic Anion-Cation Redox Chemistry in Freestanding Amorphous Vanadium Oxysulfide Cathodes towards Ultrafast and Stable Aqueous Zinc-Ion Batteries為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊 Advanced Functional Materials上。論文第一作者為東南大學(xué)博士研究生潘瑞,通訊作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張其沖項(xiàng)目研究員和東南大學(xué)尹奎波副教授。
圖2. AVSO的制備和結(jié)構(gòu)特性
鑒于柔性準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池是水系電池中發(fā)展最快的熱點(diǎn)之一,總結(jié)該領(lǐng)域的最新發(fā)展可以為柔性準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池的設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)作用。本綜述從機(jī)理、設(shè)計(jì)原則、應(yīng)用等方面系統(tǒng)介紹了柔性準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池的合理設(shè)計(jì)策略和研究進(jìn)展。首先,詳細(xì)闡述了柔性準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池的儲(chǔ)能和柔性機(jī)制。隨后,系統(tǒng)地闡述了柔性準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池的柔性設(shè)計(jì)原則和功能化策略。進(jìn)一步介紹了柔性準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池在可穿戴電子產(chǎn)品中的最新進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用。最后,對(duì)柔性準(zhǔn)固態(tài)鋅離子電池的一些應(yīng)用和研究前景進(jìn)行了論證,為其實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)發(fā)提供了指導(dǎo)。相關(guān)成果以Flexible Quasi-Solid-State Aqueous Zinc-Ion Batteries: Design Principles, Functionalization Strategies, and Applications為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊 Advanced Energy Materials上。論文第一作者為南京大學(xué)博士研究生王文惠,通訊作者為安陽(yáng)師范學(xué)院李朝威博士、中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張其沖項(xiàng)目研究員以及南京大學(xué)姚亞剛教授。
圖3. 柔性準(zhǔn)固態(tài)水系鋅離子電池的理性設(shè)計(jì)
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