钱逸泰院士、侯之国副研究员，AFM：不同“钒”响！具有高工作电压的有机小分子插层V3O7·H2O实现长循环寿命水系锌离子电池

具有高工作电压的有机小分子插层V₃O₇·H₂O实现长循环寿命水系锌离子电池

第一作者：张明颖

通讯作者：侯之国*，钱逸泰*

单位：中国科学技术大学

得益于不易燃水性电解质，AZIB具有安全性高、环保性好等优点，金属锌阳极不仅具有高理论比容量（819 mA h g⁻¹）、无毒、储量高、成本低，而且具有低电位和高析氢过电位。它可以为电池提供更宽的电化学稳定性窗口（ESW）。较宽ESW和充放电过程中的双电子转移机制使其具有高能量密度。然而，AZIBs的阴极存在溶解、充放电过程中结构不稳定、无法顺利插入/脱嵌锌离子、反应动力学慢等诸多问题，阻碍了AZIBs的发展和商业化。虽然锌离子（0.074 nm）的半径与锂离子（0.076 nm）的半径相差不大，但二价锌离子原子质量大，化学性质高，导致其库仑效率低。因此，建设具有高比容量、高倍率性能和高循环稳定性的先进正极材料是当务之急。

近日中国科学技术大学钱逸泰院士和侯之国研究员在知名期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“Organic Molecular Intercalated V₃O₇·H₂O with High Operating Voltage for Long Cycle Life Aqueous Zn-Ion Batteries”的文章。本文提出了一种高效钒基次阴极设计策略。该策略可以有效解决钒基材料由于工作电压平台较低所导致的能量密度低。

图1介绍了合成的VO-DP的物质组成和其形貌。并对比了VO-DP与其他钒氧化物的平均工作电压。

图2介绍了VO-DP的电化学性能。与对比样相比，VO-DP的工作电压平台与比容量都有明显的提高，且不论在大电流密度还是小电流密度下，其电化学性能都比较优异。

图3介绍了VO-DP的反应动力学。从图3可以看出离子迁移率高，证实了DP的引入，更有利于锌离子在钒氧层间的嵌入\脱嵌行为。

图4探究锌离子储存机制。图四从充放电过程中，VO-DP的相变得到了其不仅结构稳定还具有电化学可逆性好的结论。理论计算也从侧面验证了DP的引入更有利于锌离子在钒氧层间的脱嵌。

图5 为了进一步验证其在柔性电池中的应用潜力。组装好的柔性电池在不同弯曲状态下的连续恒流充放电测试显示出稳定的充放电曲线，表明具有良好的柔韧性和折叠能力。在1.0 A g⁻¹电流密度下的充放电测试也证实了其长寿命和可靠的灵活性(150次循环后容量保持率为90.69%)。此外，包装良好的小袋电池在充满电的情况下，也能在各种弯曲状态下保持稳定的电压。

总之，本文通过水热法制备了VO-DP，并将其作为AZIBs的阴极进行了研究。VO-DP优异的储能机制归功于其层状结构和有机DP的添加，提高了工作电压、更高的离子扩散率(10-7 cm2 s-1)并保持较长的寿命。此外，本文的研究提供了一种新颖的设计策略，通过引入有机物来增强锌离子的传输特性。由于其优异的电化学性能、安全性和柔韧性，VO-DP正极材料有望在下一代储能装置中发挥作用。

Organic Molecular Intercalated V₃O₇·H₂O with High Operating Voltage for Long Cycle Life Aqueous Zn-Ion Batteries

Mingying Zhang，Xueqian Zhang，Qi Dong，Shaojie Zhang，Zhibin Xu，Zhiguo Hou*，Yitai Qian*

侯之国：特聘副研究员；中国科学技术大学 化学与材料科学学院，2013年本科毕业于吉林大学，2018年博士毕业于中国科技大学，2021年07月起就职于中国科学技术大学。研究领域为水系离子电池、高比能锂离子电池，正负极材料的制备及电化学性质研究。以第一/通讯作者在 Science Advances, Adv. Energy Mater., ESM等国际期刊上发表SCI论文20余篇