谷氨酸诱导的钡插层水系锌离子电池钒酸铵电极容量增强

谷氨酸诱导的钡插层水系锌离子电池钒酸铵电极容量

第一作者：邓志浩

通讯作者：武文俊*

单位：华东理工大学

水系锌离子电池(AZIB)，由于其Zn/Zn²⁺低的氧化还原电位（−0.76 V vs. SHE），极高的理论容量（820 mAh g⁻¹）以及成本回报率高等优势，成为替代锂离子电池的最有竞争力的候选者之一。为了获得高容量和良好循环稳定性，人们选择包含层状结构，多孔结构以及纳米通道的正极材料展开研究，主要包括钒基材料、锰氧化合物、普鲁士蓝类似物和有机化合物等。而钒氧化合物，由于独特的层状结构，以及多步氧化还原过程，应用于AZIB显示出极大的潜力。但目前还存在导电性能和结构骨架稳定性差等问题有待解决。本篇聚焦一步水热法合成Ba²⁺掺杂的钒酸铵材料，随着Ba²⁺的引入，可将钒基纳米花的层间距增大，大幅降低了Zn²⁺在钒基正极材料中的扩散能垒，并且可形成大量暴露的活性位点，有利于离子快速扩散和氧化还原反应动力学。

近日，来自华东理工大学的武文俊副教授，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表了一篇题为“Augmenting specific capacitance of ammonium vanadate cathode in aqueous zinc-ion batteries via barium doping directed by glutamic acid“的研究论文。该论文提出了利用谷氨酸为导向剂，通过优化BaCl₂·2H₂O的添加量，利用一步水热法成功合成了高结晶度的(NH₄)₂V₄O₉纳米花，并将其应用于水系锌离子电池（AZIB）的正极材料。研究发现，在最佳条件下，Ba²⁺的引入，可将钒基纳米花的层间距从9.817 Å增加到12.900 Å，大大降低了Zn²⁺在钒基正极材料中的扩散能垒，提升了其扩散系数。

要点一：谷氨酸诱导(NH₄)₂V₄O₉纳米花形成过程解析

通过对水热法合成钒基材料的过程中，不同时间段的中间态进行电镜分析，发现了谷氨酸阴离子在钒离子周围形成配合物，诱导纳米带的生长并抑制(NH₄)₂V₄O₉的晶体生长，最终形成纳米花的全过程。

要点二：Ba²⁺对钒基纳米花晶格间距的高效插层作用

研究发现，随着Ba²⁺的引入，可将钒基纳米花的层间距从9.817 Å增加到12.900 Å，大幅降低了Zn²⁺在钒基正极材料中的扩散能垒，并且可形成大量暴露的活性位点，有利于离子快速扩散和氧化还原反应动力学。同时，所合成的正极材料，V⁵⁺和V⁴⁺的氧化还原过程和Zn²⁺的嵌入和脱出表现出非常优越的可逆性。

要点三：比容量突破了Ba²⁺插层钒基材料的最高值

离子传输速率的提升，氧化还原动力的增强。V⁵⁺/V⁴⁺和V³⁺之间的氧化还原转换以及锌离子掺杂过程中表现出卓越的可逆性。该阴极材料呈现出理想的晶体配置，AZIB实现了近乎完美的库仑效率。在0.1 A g^-1的电流密度下，实现了384.91 mAh g^-1的显著峰值放电容量。并在5 A ^g-1下经过1500个循环后，它保持了92.9%的容量保持率。

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