安徽理工大学的尹成杰、胡劲松团队，CEJ：聚苯胺包覆钒酸钠纳米棒增强锌离子动力学研究

第一作者：贾锐

通讯作者：尹成杰*

单位：安徽理工大学

由于化石能源的大量消耗以及碳达峰和碳中和的目标，迫切需要开发适合大规模部署的可持续储能设备。目前锂离子电池已经成功商业化，特别是在便携式和汽车中的应用，但其安全问题，环境影响和高成本需要进一步的解决方案。水系锌离子电池(ZIBs)作为一种新兴的能源储存系统，具有可再生性、安全性和成本效益等优势。然而，ZIBs的电化学动力学受到低Zn²⁺扩散效率和充放电过程中易生长枝晶的影响，给ZIBs的发展带来了重大挑战。为了解决这些问题，本篇文章设计了一种聚苯胺(PANI)包覆的钒酸钠纳米棒作为正极材料，以提高离子扩散效率和减少钒酸钠纳米棒的隧道结构崩塌。旨在通过增加比表面积、增强晶体结构强度和引入氧空位，开发高性能的ZIBs正极材料。为未来有机聚合物与金属氧化物复合材料策略的研究提供了方向，有助于加速水系锌离子电池正极材料的研究及实际应用。

近日，来自安徽理工大学的尹成杰、胡劲松团队，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Polyaniline-coated sodium vanadate nanorods cathode boosting zinc ion dynamics in aqueous zinc-ion batteries”的研究论文。具体而言，此研究通过两步简单水热法，将PANI聚合包覆至钒酸钠纳米棒结构上，制备出了具有创新性的正极材料（NVOP-60），增强了钠钒酸纳米棒的晶体结构，形成了具有相对更宽间距的稳定隧道结构，同时引入氧空位提供了额外的Zn²⁺离子存储位点，提高了容量和循环稳定性。因此，制备的正极材料NVOP-60在5000次循环后仍保持141 mA h g^-1，为初始容量的103%，库仑效率也保持在99.83%。同时，NVOP-60在高多重性下也表现出比其他材料更好的容量曲线，在3.0 A g^-1的电流密度下剩余容量为222.02 mA h g^-1。此外，通过多种表征手段对该机理的综合分析也为更好地研究Zn²⁺的存储提供了一些信息，同时也为多种重金属杂化氧化物复合有机聚合物的策略提供了思路。

两步水热法制备，使用十二烷基苯磺酸钠将Na⁺引入V₂O₅中，并经过煅烧后形成钒酸钠纳米棒结构，接续将苯胺和制备出的钒酸钠纳米棒加入水溶液进行混合，通过盐酸进行苯胺质子化处理以提高电子传导性能，进行第二次水热，得到最终产物。

通过X射线衍射(XRD)分析,确认NVO和NVOP-60样品均具有相同的晶体结构特征。相比下NVOP-60的衍射峰强度有所降低,可能是由于PANI包覆层的存在或氧空位的引入,导致晶体结构特征被掩盖。结合扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)分析出PANI的成功聚合。X射线光电子能谱(XPS)分析和ESR测试结果表明，NVOP-60中存在未配对电子,可能与氧空位有关。

通过非原位XRD对不同电位下的电极片进行分析，推测出在放电过程中，Zn²⁺会与NVOP-60反应生成Zn₃V₂O₇(OH)2·2H₂O副产物，从而导致正极材料容量的衰减。在充电过程中Znx(NVOP-60)化合物会逐步脱锌，转变为Zny(NVOP-60)(x>>y)结构，而Zn₃V₂O₇(OH)₂·2H₂O副产物会减少，以此推论出本文中正极材料的储锌机理。

图2. 聚苯胺包覆的钒酸钠纳米棒制备过程的示意图

图3. NVOP-60的相关物理性质表征

Polyaniline-coated sodium vanadate nanorods cathode boosting zinc ion dynamics in aqueous zinc-ion batteries.

尹成杰：安徽宿州人，中共党员，工学博士，硕士研究生导师，安徽理工大学青年托举人才（2022），现任应用化学系副主任。2019年12月毕业于中南大学材料科学与工程学院，同年进入安徽理工大学从事教学及科研工作，主要从事电化学能源材料与器件、锂(钠)离子电池、水系多价离子电池等研究工作，近三年来主持省级科研项目3项，校级科研项目3项。以第一或通讯作者身份在Science Bulletin、ACS Applied Materials ＆ Interfaces、Chemical Engineering Journal、Small Methods、Journal of Colloid and Interface Science、ACS Sustainable Chemistry & Engineering等学术期刊上发表SCI论文20余篇。担任Advanced Powder Materials、cMat、Exploration、稀有金属、湖南师范大学学报《自然科学版》青年编委，Nano-Micro Letters、Nano Energy、Journal of Power Sources、Chemical Engineering Journal、Small Structures等知名杂志审稿人。