华中科大蒋凯&王康丽Energy Storage Mater. : 基于Na3V2(PO4)2F3正极的长寿命水溶液锌离子电池

【引言】

可再充电的“摇椅型”水系锌离子电池具有成本低廉、安全性高、环境友好、组装方便等优点，是一类潜在的储能技术。然而，一般的正极材料在二价锌离子嵌脱过程存在结构不稳定和扩散缓慢的问题；同时，锌负极在循环过程中极易形成枝晶，导致电池短路。因此，寻找合适的正极材料和有效抑制锌枝晶的方法，是一个巨大的挑战。

【成果简介】

近日，华中科技大学蒋凯和王康丽教授（共同通讯作者），成功开发了Na₃V₂(PO₄)₂F₃正极材料(N₃VPF@C)，同时通过修饰金属Zn负极（CFF-Zn），组装了CFF-Zn// N₃VPF@C水系锌离子电池。该电池体系具有1.62V电压，97.5Wh/kg的能量密度和长达4000圈的循环寿命(95%容量保持率)。作者通过非原位XPS、XRD和SEM mapping等表征了电池的机理。值得注意的是，基于CFF-Zn//N₃VPF@C的软包电池同样具有良好的循环性能。相关成果以题为“A long-life aqueous Zn-ion battery based on Na₃V₂(PO₄)₂F₃ cathode”发表在了Energy Storage Materials 上。

【图文导读】

图1 材料结构和电池性能表征

a）N₃VPF@C的XRD图谱；插图为N₃VPF@C的SEM图；

b）CFF-Zn//N₃VPF@C电池的CV曲线；

c）CFF-Zn//N₃VPF@C电池的充放电曲线；

d）CFF-Zn//N₃VPF@C电池结构和机理示意图；

图2 电池电化学性能表征

a）CFF-Zn//N₃VPF@C电池的倍率容量性能；

b）CFF-Zn//N₃VPF@C电池的不同倍率下的充放电曲线；

c）CFF-Zn//N₃VPF@C电池在200mA/g电流密度下循环性能；

d）Zn//N₃VPF@C电池在200mA/g电流密度下循环性能；

e）CFF-Zn//N₃VPF@C电池在1000mA/g电流密度下循环性能；

图3  Zn 和CFF-Zn形貌表征

a）原始Zn的SEM照片；

b）循环后Zn的SEM照片；

c）原始CFF-Zn的SEM照片；

d）循环后CFF-Zn的SEM照片；

图4 循环前后N₃VPF@C电极的表面结构变化

a）不同充放电状态下Zn2p的XPS图谱；

b）不同充放电状态下V2p的XPS图谱；

c）不同充放电状态下C1s的XPS图谱；

d）不同充放电状态下F1s的XPS图谱；

图5   N₃VPF@C电极不同充放电状态下的结构变化

图6  CFF-Zn//N₃VPF@C软包电池的性能

a-e） CFF-Zn//N₃VPF@C软包电池的数码照片； 

f） CFF-Zn//N₃VPF@C软包电池的循环性能；

【小结】

该研究展示了一种新型的锌离子电池正极材料和抑制锌枝晶的方法，并构建了高电压、长寿命的“摇椅型”CFF-Zn// N₃VPF@C水系锌离子电池。发现，N₃VPF@C正极材料的稳定性主要来源于其高度可逆的V³⁺ ↔ V⁴⁺电对、正极表面形成的SEI膜和正极忽略不计的体积变化（0.22%）。而Zn负极通过简单的碳膜修饰，可以有效抑制锌枝晶的生成。该研究结果和策略，有望为水系锌基电池提供新的思路和方法。

文献链接：A long-life aqueous Zn-ion battery based on Na₃V₂(PO₄)₂F₃ cathode （Energy Storage Mater., 2018，DOI：10.1016/j.ensm.2018.03.003）

感谢华中科大蒋凯和王康丽教授课题组的供稿！

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