武汉大学陈重学副教授最新ESM开发水系锌电新正极材料

第一作者：赵栋

通讯作者：陈重学*，定明月*

单位：武汉大学

水系锌离子电池（AZIB）因其成本低廉、安全性高、绿色环保等显著优势，被认为是大规模储能电池的理想选择之一。目前锌负极在水介质中存在枝晶生长等副反应，而且锌负极的利用率极低，整体能量密度受限。“摇椅式”电池是应对上述挑战的一种有效策略，但是目前缺乏合适的宿主材料和全电池范式。

近日，来自武汉大学的陈重学副教授，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Low-strain layered Zn_0.56VOPO₄·2H₂O as a high-voltage and long-lifespan cathode material for Zn-ion batteries”的研究文章。该文章开发了一种新型层状Zn_0.56VOPO₄·2H₂O作为锌离子电池正极材料，具有低应变、高电压、长寿命等优势，并与9，10-AQ和TiS₂匹配构建了摇椅式”全电池，为水系锌离子电池的研究提供借鉴。

通过简单的溶剂热法成功制备了一种新型层状的Zn_0.56VOPO₄·2H₂O（ZVOP）材料，该材料结构与传统的层状VOPO₄·2H₂O材料有所不同，V具有两种位点。所制备的材料在50 mA g^-1的电流密度下，首周可以提供104.2 mA g^-1的容量，平均放电电压为1.46 V （vs. Zn²⁺/Zn）。在5 A g^-1的高电流密度下可以稳定循环超过8000周。

原位XRD、非原位XPS、FTIR、ICP等多种测试，以及DFT计算用于分析ZVOP的储锌机制。ICP测试表明每个ZVOP结构中可以实现0.45个Zn²⁺的可逆脱嵌。原位XRD探究了材料在电化学过程中的物相变化，（100）晶面的特征峰对应的层间距几乎无变化，这与传统层状结构有所不同。而（022）和（-122）晶面的特征峰仅有微小的可逆变化。这证明了储锌过程中层状结构保持良好和极低的体积应变（1.9%）。非原位FTIR和XPS探索了储锌过程中V原子周围环境和价态的变化，表明了结构具有良好的可逆性。晶体结构的低应变和高可逆性有利于电极的长期循环稳定性。

密度泛函理论（DFT）的计算进一步验证和探索ZVOP的储锌机制。理论电压的计算结果与电化学曲线匹配良好，证明了高电压的特性。用CI-NEB方法探索了ZVOP层间Zn²⁺迁移可能的两条路径，及其对应的迁移能垒。确定了Zn²⁺沿c周的锯齿形迁移路径具有较低的迁移能垒（0.55 eV），有助于Zn²⁺的快速扩散，从而获得优异的倍率性能。同时，DOS和Bader电荷的计算进一步证明了结构中的Zn²⁺具有较强的离子性，有较好的动力学性能。

由于Zn_0.56VOPO₄·2H₂O可以首周脱出Zn²⁺，因此以Zn_0.56VOPO₄·2H₂O为正极，以9,10-AQ、TiS₂和Cu集流体为负极，成功构建了一系列“摇椅式”水系锌离子电池和“无负极”水系锌离子电池，展现了所制备的ZVOP正极材料在多种体系中的应用潜力。其中构建的Zn_0.56VOPO₄·2H₂O || 9,10-AQ全电池，可以提供53.0 Wh kg^-1的总能量密度，平均放电电压0.96 V，充放电极化仅为0.19 V，可以实现400周的稳定循环，性能位居已报道体系前列，为“摇椅式”水系锌离子电池的开发提供了借鉴。

Low-strain layered Zn_0.56VOPO₄·2H₂O as a high-voltage and long-lifespan cathode material for Zn-ion batteries

陈重学副教授简介：武汉大学动力与机械学院副教授，博士生导师。武汉大学“珞珈青年学者”，湖北省“院士专家企业行”专家，武汉市新能源汽车产业协会专家，担任《物理化学学报》、《Carbon Energy》、《eScience》等期刊的青年编委。研究方向为电化学储能技术，包括锂/钠离子电池、水溶液电池以及废旧电池的绿色回收。目前已承担国家级、省部级及横向课题16项，在Angew. Chem.,、Adv. Energy. Mater.等期刊上发表论文100余篇，他引4700多次，H指数37，申请国家发明专利21项。先后获得湖北省自然科学奖二等奖、电力创新奖二等奖、国家电网公司科学技术进步奖二等奖、湖北省汽车产业走廊“根技术”创新大赛一等奖、湖北省研究生教学成果奖三等奖等奖项。

定明月教授简介：武汉大学动力与机械学院教授，博士生导师。教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划催化专项（基础前沿类）首席科学家，湖北省“楚天学者”特聘教授，武汉大学“珞珈学者”特聘教授。研究方向为碳基能源小分子催化转化和二氧化碳高值化利用的基础理论研究和技术开发工程。近年来主持包括国家重点研发计划项目，国家自然科学基金联合基金重点项目、国际合作研究项目、面上项目等20余项。以第一或通讯作者在Science等顶级期刊发表SCI论文80余篇，以第一发明人授权国家发明专利10余项。