高立军教授、Valeria Nicolosi教授、王昊副研究员ACS Nano：氧化钒纳米异质结界面工程实现高能长寿命钾离子存储- 大数跨境

首页

高立军教授、Valeria Nicolosi教授、王昊副研究员ACS Nano：氧化钒纳米异质结界面工程实现高能长寿命钾离子存储

科学材料站

2022-01-22

导读：该文章通过将VO2-V2O5异质结构与N掺杂碳复合，利用异质结构良好的界面效应以及内建电场协同作用，以及高导电的碳网络，缓解了大尺寸的钾离子在嵌入/脱出过程中的界面应力并提高反应动力学和电子/离子传输

文章信息

氧化钒纳米异质结界面工程实现高能长寿命钾离子存储

第一作者：蒯笑笑

通讯作者：王昊*，Valeria Nicolosi*，高立军 *

单位：南京大学，爱尔兰圣三一学院，苏州大学

研究背景

兼具高能量/功率密度的锂离子混合电容器在储能领域具有极其重要的应用前景。然而锂的成本以及锂资源的枯竭阻碍了锂离子混合电容器的大规模应用。地壳中钾的储量几乎是锂的一千倍，并且钾的还原电位接近锂，因此有望设计出和锂离子混合电容器相当电化学性能的钾离子混合电容器。

然而实现高能量/功率密度和长寿命的钾离子混合电容器仍有挑战性，因为大尺寸的钾离子导致缓慢的动力学和电极材料粉化等问题。异质结由于其显著的界面效应和功函数差异在异质界面产生的内建电场，使其成为有潜力的电极材料候选。这些特性可以显著缓解界面应力并促进反应动力学和电子/离子传输，从而提高电化学性能。

文章简介

基于此，来自苏州大学的高立军教授联合爱尔兰圣三一学院的Valeria Nicolosi教授与南京大学的王昊研究员合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Interfacial Engineered Vanadium Oxide Nanoheterostructures Synchronizing High-Energy and Long-Term Potassium-Ion Storage”的文章。

该文章通过将VO₂-V₂O₅异质结构与N掺杂碳复合，利用异质结构良好的界面效应以及内建电场协同作用，以及高导电的碳网络，缓解了大尺寸的钾离子在嵌入/脱出过程中的界面应力并提高反应动力学和电子/离子传输效率。

图1. VO₂-V₂O₅/NC//AC钾离子混合电容器性能

本文要点

要点一：VO₂-V₂O₅/NC异质结构的成功制备及组分确定

通过自模板法制备出三维VO₂-V₂O₅/NC异质复合材料，在该材料中，NC不仅将超小尺寸的VO₂-V₂O₅封装，还可以充当导电网络实现电荷的快速传输。HRTEM证实了VO₂-V₂O₅异质结构的存在，其中标注的晶格分别对应VO₂的（012）面以及V₂O₅的（211）面。

XRD、XPS以及XANES结果表明制备出的材料是由VO₂和V₂O₅组成。通过对不同价态的V的标准样品进行线性拟合从而确定VO₂-V₂O₅/NC材料中V的平均价态，进而分析出VO₂和V₂O₅的各自占比。

要点二：VO₂-V₂O₅/NC在半电池中的电化学性能以及动力学分析

通过对比NC, VO₂/NC, V₂O₅/NC和VO₂-V₂O₅/NC样品的电化学性能，可以得到VO₂-V₂O₅/NC异质结构的电化学性能以及长循环稳定性显著优于VO₂/NC和V₂O₅/NC。动力学结果表明，在充放电过程中VO₂-V₂O₅/NC的b值都接近1，这意味着电容过程占据了主导钾离子的存储，这种电容贡献为钾离子存储提供了相当多的容量。异质结构缓解钾离子嵌入/脱出过程中的界面应力，以及扩散控制和电容贡献共同作用，这些因素使得VO₂-V₂O₅/NC表现出优异的电化学性能以及长循环稳定性。

要点三：储钾机理研究

利用XRD以及XAS来研究VO₂-V₂O₅/NC电极在充放电过程中的结构演变。VO₂-V₂O₅/NC继承了VO₂/NC和V₂O₅/NC的主要电荷存储特性，但是存在差异，VO₂-V₂O₅异质结构抑制了V₂O₅的再生，这以过程能够减少后续充放电过程中的相变反应，从而提高了VO₂-V₂O₅/NC电极的循环稳定性。

要点四：基于VO₂-V₂O₅/NC和AC的混合电容器

将VO₂-V₂O₅/NC作为负极，AC作为正极，组装成KIC器件，该器件展现出优异的电化学性能。该KIC的工作电压达到4 V，在100 W/kg的功率密度下，能量密度为154 Wh/kg，在10000 W/kg的最大功率密度下，能量密度为22 Wh/kg。此外，在1 A/g的电流密度下，经过5000次循环后，容量保持率为85.1%，经过10000次循环后，容量保持率为72.1%。

文章链接

Interfacial Engineered Vanadium Oxide Nanoheterostructures Synchronizing High-Energy and Long-Term Potassium-Ion Storage

https://pubsacs.scrongyao.com/doi/10.1021/acsnano.1c09935

通讯作者简介

高立军 教授

本科毕业于北京大学化学系，博士毕业于加拿大渥太华大学化学系。在加拿大学习8年，美国工作8年。从事电化学新能源与新材料研究，包括超级电容、锂/钠离子电池和电催化等领域。2010年任职苏州大学能源学院特聘教授。发表学术论文100余篇，申请专利60余项。