吴广明教授团队、曹国忠教授ESM：基于含氧空位的钒酸钠/PEDOT的高能量转换效率的锌离子电池- 大数跨境

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吴广明教授团队、曹国忠教授ESM：基于含氧空位的钒酸钠/PEDOT的高能量转换效率的锌离子电池

科学材料站

2021-05-14

导读：该工作通过氧化聚合方法，在钒酸钠Na0.76V6O15表层引入桥氧氧空位并形成PEDOT包覆层，得到了电缆结构的Vo¨-PNVO纳米材料。

文章信息

基于含氧空位的钒酸钠/PEDOT的高能量转换效率的锌离子电池

第一作者：毕文超

通讯作者：高国华*，吴广明*，曹国忠*

单位：同济大学，上海理工大学，美国华盛顿大学

研究背景

水系锌离子电池因其容量大、成本低、安全性高等优点受到广泛关注。然而，锌离子受限于扩散路径且有强静电效应而传输缓慢，导致锌离子电池能量转换效率低，寿命有限，难以广泛应用。

文章简介

基于此，同济大学吴广明教授团队与美国华盛顿大学曹国忠教授课题组合作，在Energy Storage Mater期刊上发表了题为“Sodium Vanadate/PEDOT Nanocables Rich with Oxygen Vacancies for High Energy Conversion Efficiency Zinc Ion Batteries”的研究论文。

该工作通过氧化聚合方法，在钒酸钠Na0.76V6O15表层引入桥氧氧空位并形成PEDOT包覆层，得到了电缆结构的Vo¨-PNVO纳米材料。

结果表明：在氧空位和PEDOT的协同作用下，Vo¨-PNVO不仅有更大的Zn2+扩散通道，还减弱相邻钒层与Zn2+间的静电效应，实现Zn2+快速可逆的脱嵌，最终能量转换效率达到80%，且循环2600次后，比容量保留了99%。此工作为提高锌电池电极材料的储能性能提供了思路，对其他电极材料的改性也具有一定的参考价值。

图1. Vo¨-PNVO材料的晶相、成分以及氧空位的表征：(a) XRD图谱 (b) FTIR图谱 (c) Raman图谱 (d) XPS全谱 (e) S 2p精细谱 (f) C 1s精细谱 (g) V 2p3/2 精细谱 (h) O 1s精细谱 (i) ESR 图谱.

图2. (a)钒酸钠NVO 的晶体结构, (b) NVO中可能产生氧空位的位置, (c)不同位置上产生氧空位的自由能计算. 结果显示: Ob 处是最容易产生氧空位的位置, 与实验数据相符.

图3. Vo¨-PNVO 的储能机理研究：不同充放电状态下的 (a) ex-situ XRD 图, (b~e) ex-situ XPS 全谱及Na 1s, Zn 2p V2p 精细谱. (f) Vo¨-PNVO储能机制的示意图.

本文要点

要点一：氧空位的引入

利用导电聚合物单体的氧化聚合在钒酸钠的表层引入了氧空位，并将实验数据与第一性原理相结合，证明桥氧位置处最易形成氧空位。

要点二：锌离子传输动能的提升

氧空位扩大了钒酸钠的晶格距离，为Zn2+提供有效的扩散通道，同时削弱Zn2+与相邻钒层之间的强静电作用，减弱极化现象，从而大大提高Zn2+扩散动力。在氧空位和PEDOT导电保护层的协同作用下，锌离子电池的能使转换效率、倍率性能和循环寿命大大增强。

要点三：锌离子电池的储能机制探究

通过ex-situ XRD和XPS表征发现，首次放电后的充、放电过程中，Zn2+快速可逆的地嵌入和脱出Vo¨-PNVO中，同时有Znx(CF3SO3)y(OH)2x-y·nH2O 和 Zn3V2O7(OH)2·nH2O可逆地形成和消失。

本文链接

Sodium Vanadate/PEDOT Nanocables Rich with Oxygen Vacancies for High Energy Conversion Efficiency Zinc Ion Batteries

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.05.003

第一作者介绍

毕文超，上海理工大学理学院讲师。

2020年同济大学获得博士学位，2017-2019在美国华盛顿大学进行博士联合培养。

通讯作者介绍

高国华，同济大学物理科学与工程学院副教授。

主要从事新型储能器件和催化剂的电极过程研究，结合实验和第一性原理的方法研究离子在纳米材料表面的输运行为及其调控技术，先后主持3项国家自然科学基金面上项目、国际(地区)合作与交流项目和青年科学基金项目的研究。在Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、J Mater. Chem. A等期刊发表SCI论文80余篇，其中ESI高倍引用论文 2篇，ESI热门引用论文 1篇，SCI他引数2000余次，出版著作1部，授权国家发明专利10余项。

吴广明，同济大学物理科学与工程学院教授。

主要从事凝聚态物理和功能纳米材料的合成、微纳结构人工调控、离子与电子输运、储能与节能特性等研究。先后主持国家科技支撑计划、国家“863”计划、国家自然科学基金、教育部、上海市、社会服务等40余项科研项目。研究成果先后荣获了教育部自然科学二等奖、上海市自然科学二等奖、上海市科技进步二等奖等奖项。在 Adv. Mater.、ACS Nano、J Mater. Chem. A、Small等杂志发表SCI论文170余篇，出版专著2部，获国家授权发明专利20余项。

Guozhong Cao: Dr. Guozhong Cao is Boeing-Steiner professor of Materials Science and Engineering, professor of Chemical Engineering and adjunct professor of Mechanical Engineering at the University of Washington, Seattle, WA. Dr. Cao received his BS degree from East China University of Science and Technology, MS from Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, and PhD from Eindhoven University of Technology, the Netherlands. Dr. Cao has published over 800 technical papers and is one of the Thomson Reuters Highly Cited Researchers.