麦立强&晏梦雨Adv. Energy Mater.: 钠离子稳定的钒氧化物纳米线正极用于高性能锌离子电池

【引言】

作为锂/钠离子电池的替代品，可充电的水系锌离子电池 (ZIBs) 由于其低成本、安全、环保的优点得到了持续的关注。与此同时，使用水相电解液取代有机电解液对于降低电池成本以及减少环境污染具有重要意义。然而，由于Zn²⁺较高的极化作用以及较窄的适用电压范围，很难找到合适的正极材料作为Zn²⁺插层的主体材料。近来，研究人员对钒基材料用于Zn²⁺的可逆插层进行了探索。过去的数十年间，层状钒氧化物由于其低成本和高容量，应用于锂/钠离子电池的电极材料。一般来说，块体钒氧化物在离子嵌入/脱嵌过程中由于导电率低、结构稳定性差常发生快速容量衰减现象。研究表明，插层金属离子(M_xV_nO_m，M为金属离子)可以有效增强层状钒氧化物的稳定性。

【成果简介】

近日，武汉理工大学麦立强教授、晏梦雨博士(共同通讯作者)等报道了有关水系Zn//Na_0.33V₂O₅电池设计和构筑的开创性工作，并在Adv. Energy Mater.上发表了题为“Sodium Ion Stabilized Vanadium Oxide Nanowire Cathode for High-Performance Zinc-Ion Batteries”的研究论文。Na_0.33V₂O₅(NVO)电极在0.1 A·g^-1下具有高达367.1 mAh·g^-1的容量，长期循环稳定性良好，1000圈循环后仍保留超过93%的容量。研究人员通过单根纳米线器件证实了[V₄O₁₂]_n层间钠离子的插入增强了导电性。此外，通过X射线衍射等表征手段证实了可逆插层反应机理。优异的性能应归因于NVO稳定的层状结构以及较高的导电性。这项工作也表明层状结构材料方面在ZIBs正极领域具有很大的应用潜力。

【图文简介】

图1 NVO纳米线的晶体结构、形貌表征

a) NVO纳米线的XRD图谱，内插为NVO纳米线的晶体结构示意图；

b) NVO纳米线的Raman光谱；

c) NVO纳米线的FESEM图像；

d) NVO纳米线的TEM图像；

e) NVO纳米线的HRTEM图像，内插为SAED图像；

f) NVO纳米线的元素分布。

图2 NVO纳米线的电化学性能

a) 0.1 mV·s^-1扫速下，0.2-1.6 V范围内NVO电极的CV曲线；

b) 0.2 A·g^-1下，NVO的恒电流充/放电曲线；

c) 0.2 A·g^-1下，NVO的循环性能；

d) NVO的倍率性能；

e) 1.0 A·g^-1下，NVO的循环性能。

图3 单根纳米线器件证实NVO导电性增强

a) 不同循环次数后NVO的交流阻抗曲线；

b) NVO和V₂O₅首次循环后的交流阻抗曲线；

c) NVO单根纳米线的SEM图像；

d) NVO和V₂O₅的I–V曲线。

图4 可逆插层反应机理证实

a) 不同充/放电状态下，NVO电极的非原位XRD图谱；

b) 0.2 A·g^-1下，相应的充/放电曲线；

c) NVO电极储锌机理示意图；

d) 3次循环后充分放电的NVO电极的TEM图像；

e) 3次循环后充分放电的NVO电极的元素分布。

f) 100次循环后NVO电极的SAED图像；

g) 100次循环后NVO电极的HRTEM图像。

【小结】

该工作首次设计构筑了由NVO纳米线正极、3M Zn(CH₃F₃SO₃)₂电解质和锌负极组成的水系Zn//NVO电池。上述NVO电极具有较高的比容量(0.1 A·g^-1时367.1 mAh·g)、长期循环稳定性(1000圈循环后保留超过93%比容量)以及良好的倍率性能。通过单根纳米线器件证实了[V4O12]n层间钠离子的插入增强了导电性。此外，通过XRD、Raman、XPS、SEM和TEM分析等表征手段证实了可逆插层反应机理。优异的性能应归因于NVO稳定的层状结构以及较高的导电性。这项工作也表明层状结构材料方面在ZIBs正极领域应用潜力巨大。本项目受到科技部重点研发计划(2013CB934103)，国家杰出青年基金(51425204)等项目的支持。

文献链接：Sodium Ion Stabilized Vanadium Oxide Nanowire Cathode for High-Performance Zinc-Ion Batteries (Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201702463)

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