张新宇、秦家千教授， CEJ观点：电解质工程对钒基锌离子电池正极-电解质界面进行改性

第一作者：代志强

通讯作者：张新宇*，秦家千*

单位：燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，朱拉隆功大学

台湾碳能CeTech【W0S1011生碳布&W0S1011H亲水碳布】性能可靠 正品保证 科研必备！

水系锌离子电池的钒基正极在连续循环过程中面临由于材料溶解和结构塌陷而导致容量快速衰减的问题。本工作通过加入碱金属硫酸盐作为添加剂，将 NH₄V₄O₁₀ （NVO） 阴极的不可逆阴极电解质界面 （CEI） 层转化为保护层。引入Na⁺后，Zn₃（OH）₂V₂O₇·2H₂O和Na₂ZnV₂O₇转化过程中OH-的动态消耗和补充调节了NVO阴极表面的pH值，抑制了副反应的发生。NVO 阴极表现出更高的比容量、更好的容量保持率，并且在引入 Na⁺ 后具有出色的倍率能力。此外，Na⁺ 添加剂还可以应用于其他 V 基材料（例如 V₂O₅ 和 VO₂），以显着提高容量保持率。本工作的加入碱金属硫酸盐电解质添加剂以增强阴极循环稳定性的策略有助于加速水性 ZIB 从学术界向工业领域的过渡。

近日，来自燕山大学的张新宇教授和朱拉隆功大学的秦家千教授合作，在知名期刊Chemical engineer journal期刊发表题为“Cathode-Electrolyte Interface modification by electrolyte engineering for Vanadium-Based Zinc-Ion Batteries”的研究文章。该研究提出锌离子电池引入Na⁺后，Zn₃（OH）₂V₂O₇·2H₂O和Na₂ZnV₂O₇转化过程中OH^-的动态消耗和补充调节了NVO阴极表面的pH值，抑制了副反应的发生。NVO 阴极表现出更高的比容量、更好的容量保持率，并且在引入 Na⁺后具有出色的倍率能力。

通过对Li+,Na⁺和K⁺在2M ZnSO₄电解质中添加后测试Zn-NVO电池的循环能力，能够明显的发现Li+提高了电池的初始容量，Na⁺对电池的容量保持率有最大的提升。并且在不同添加剂的dQ/dV曲线中也展示出Na⁺的引入也带来了NVO正极在充放电过程中的出现额外的电化学过程。

Na⁺的引入使Zn-NVO电池的赝电容贡献率增加，这展示出Na⁺提高了电池的吸附作用，同时出现了明显的电池行为的现象。这很好的证明了Na⁺参与了充放电过程。不同循环次数后的GITT曲线也表明Na⁺的引入使Zn²⁺的扩散系数改变较低，这也很好的证明NVO循环过程中结构的稳定性的提升。

非原位的XRD和XPS有力的证明了Na⁺的加入改变了电池的电化学进程。相较于ZnSO₄电解质的在不同电位下出现的NVO的晶面偏转和不可逆产物Zn₃（OH）₂V₂O₇·2H₂O的出现。Na⁺引入后改变了电化学进程，NVO的晶面观测不到偏转，而Zn₃（OH）₂V₂O₇·2H₂O出现了晶面发生偏移，同时伴随着NaZn₂V₂O₇的出现与消失。这代表着Na⁺成功进入到NVO阴极循环过程中的表面的副产物中，成功激活了其电化学转变，从而动态的调节阴极表面的pH值和降低了NVO的体积膨胀，从而提高了其电化学稳定性。

选择 V₂O₅和VO₂以进一步验证将 Na⁺引入 V 基正极材料的普遍适用性。Na⁺引入能够普遍的提高Zn-VO₂和Zn-V₂O₅电池的循环稳定性，这展示出其良好的适应性。同时在饱和ZnSO₄电解质中也展现出了显著的容量保持率的提升，这表明该策略能够适应不同的锌盐浓度及环境，其对V基正极的提升是普遍性的。因此，该改进策略成本低且易于实施，因此在大规模工业生产中具有极好的应用前景。

张新宇教授简介：燕山大学材料科学与工程学院/亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室教授，博士生导师。主要从事高性能金属材料和新型亚稳材料设计开发及服役研究工作。包括金属结构材料开发、功能、能源材料和计算模拟等研究方向。发表SCI收录论文300多篇，获批国家发明专利50多项。获多项国家和省部级科技奖励，主持国家杰出青年科学基金，863等多项课题。所在的国家重点实验室先进结构材料中心课题组诚招优秀的博士后、博士加盟。

秦家千教授简介：泰国朱拉隆功大学二级研究员，教授，博士生导师，长期从事新材料的制备与应用的研究工作，已在国际一流刊物上发表论文100余篇，申请专利30余项，已获授权专利15项。目前担任Journal of Metals, Materials and Minerals主编， Advanced Powder Materials 和 Scientific Reports和编委。秦家千博士领导的能源转换与储存实验室隶属于朱拉隆功大学冶金与材料科学研究所，是研究所主要研究组之一。目前，本实验成员由教授，博士后，在读博/硕士及本科生组成。主要从事储能材料及新型电池技术的研究与开发。实验室目前得到泰国能源部，泰国国家研究基金理事会(National Research Council of Thailand), 泰国国家科学与技术发展局(National Science and Technology Development Agency)，已具有先进电池实验所需所有设备。本实验室有1-3名朱拉隆功大学C2F奖学金支持的博士后和博士生名额，欢迎咨询:jiaqian.q@chula.ac.th