Helmut Ehrenberg教授、付强副研究员、魏英进教授等，ESM文章：Ca2+预嵌入水合氧化钒用于高性能水系镁离子电池- 大数跨境

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Helmut Ehrenberg教授、付强副研究员、魏英进教授等，ESM文章：Ca2+预嵌入水合氧化钒用于高性能水系镁离子电池

科学材料站

2024-02-05

导读：德国卡尔斯鲁厄理工学院Helmut Ehrenberg教授、付强副研究员、吉林大学魏英进教授等，Energy Storage Materials发表文章：Ca2+ 预嵌入水合氧化钒用于高性能水系镁离子

文章信息

Ca²⁺ 预嵌入水合氧化钒用于高性能水系镁离子电池

第一作者：付强

通讯作者：付强*，魏英进*

单位：卡尔斯鲁厄理工学院，吉林大学

研究背景

水系镁离子电池（AMIBs）因水系电解液的低成本、高安全性、高导电性和丰富的镁资源，近年来受到了广泛的关注，被认为是一种很有前景的能量存储和转换系统，在大规模储能应用领域有十分良好的前景。然而，AMIBs的能量密度因电解液较窄的电化学窗口 (1.3–2 V)而受到严重限制，由于缺少合适的高性能正极材料，AMIB仍处于早期发展阶段。正交晶系V₂O₅因其较高的理论比容量和有利于离子嵌入和脱出的层状结构，被广泛的用于锂/钠/钾/锌/镁离子电池。然而，在镁离子电池中V₂O₅仅能表现出有限的容量，并且 Mg²⁺ 在其主体结构中扩散十分缓慢。

因此，作者开发了一种具有大晶面间距的新型Ca²⁺ 预嵌入水合氧化钒 (CaVOnH，∼13 Å)纳米线正极材料。该材料显示优异的初始放电/充电容量（273/274 mAh g^–1）和初始库仑效率（∼100%），以及容量保持率（110圈循环后，为91%）。

文章简介

近日，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院Helmut Ehrenberg教授、付强副研究员、吉林大学魏英进教授等，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为： “Ca²⁺ pre-intercalated bilayered vanadium oxide for high-performance aqueous Mg-ion batteries”的文章。该文章制备了“富氧”Ca²⁺ 预嵌入水合氧化钒 (CaVOnH)正极材料，并通过DMSO调控电解液的溶剂化结构，优化了电解液性质（提高了电解液电导率、降低了电解液粘度和提升镁离子扩散系数）。在该优化的电极液中，CaVOnH和V₂O₅都表现出显著的倍率性能和容量提升。另外，利用原位同步辐射结合非原位技术深入研究了AMIBs中CaVOnH的电化学反应机理。

图文分析

图1、CaVOnH的结构和形貌表征

图2、CaVOnH和V₂O₅的电化学性能

图3、电解液的性质（电导率和粘度）和分子动力学研究

图4、CaVOnH在AMIBs中的电化学反应机理

总结：

该工作开发了一种新型大层间距“富氧”层状钒氧化物，为多价离子电池电解质溶剂化的调控提供了方法，并有助于理解正极材料的Mg²⁺存储机制。该工作为设计高性能正极材料和高电压、高安全、低成本的水系电解液提供了一种途径，以实现可持续的大规模储能。

文章链接

Ca²⁺ pre-intercalated bilayered vanadium oxide for high-performance aqueous Mg-ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103212

通讯作者简介

付强副研究员简介：2012年本科毕业于吉林大学材料学院，硕士师从吉林大学物理学院魏英进教授并于2015年6月硕士毕业。博士师从德国卡尔斯鲁厄理工学院Helmut Ehrenberg教授，2019年5月获化学与生物学博士学位，随后在同一课题组从事博士后研究工作。现为中国科学院大连化学物理研究所副研究员。自2012年起从事能源电化学研究，近年主要从事高比能电极材料及电化学机理研究，在电池关键材料及机理探索方面有扎实的研究基础，取得了一系列原创性研究成果。建立了电极材料容量衰减与电化学反应机制之间的关系，发展了高性能水系锌/镁离子关键电极材料和电解液，获得了高性能、长寿命的水系锌/镁离子电池。迄今为止，已发表SCI论文40余篇，其中，以第一作者或通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，ACS Nano和Energy Storage Mater. 等高水平国际刊物上发表学术论文19篇，他引1300余次。

魏英进教授简介：吉林大学物理学院教授，博士生导师。1998年本科毕业于吉林大学材料科学系，2004年6月获吉林大学材料物理与化学专业博士学位。2004-2006年在韩国延世大学从事博士后研究，德国达姆斯达特工业大学、莱布尼兹固体和材料研究所、卡尔斯鲁厄理工学院访问学者。2007年入选教育部新世纪优秀人才支持计划，2014年被聘为长白山学者特聘教授，2014年入选吉林省拔尖创新人才第三层次。从事电化学储能材料与器件的应用基础研究，主要研究电极材料的理论计算与功能化设计，锂离子电池材料与技术，新体系二次电池等。先后承担或参与完成973计划、国家自然科学基金、华为HIRP等近40项国家和省部级项目、企业合作项目，发表论文270篇，授权发明专利7项，2013年获吉林省自然科学一等奖（第二完成人）。