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山大|张进涛教授课题组AFM：聚苯胺插层调控钒氧化物层间距用于高效水系锌离子电池
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山大|张进涛教授课题组AFM：聚苯胺插层调控钒氧化物层间距用于高效水系锌离子电池

山大|张进涛教授课题组AFM：聚苯胺插层调控钒氧化物层间距用于高效水系锌离子电池 科学材料站
2020-09-11
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导读：本文通过一步水热的方法成功合成了聚苯胺插层的五氧化二钒。通过调整水热温度以及聚苯胺与五氧化二钒之间的比例，获得了优化后的复合电极材料。最终获得晶面扩大的聚苯胺插层五氧化二钒材料展现出了比斜方晶系五氧化



文章信息

聚苯胺插层调控钒氧化物层间距用于高效水系锌离子电池
第一作者：陈松
通讯作者：张进涛*
单位：山东大学
文末附张进涛教授课题组招聘信息

研究背景

当前，锂离子电池由于其较高的输出电压和能量密度，已经占领了便携式电子产品市场以及电动工具设备领域。然而，使用易燃的有机电解液极易引发安全问题，这就需要开发更加安全高效的电池。水系锌离子电池具有高能量密度，环境友好，组装简单的特点，是一种具有发展前景的储能体系。研究者们发展了包括锰氧化物、普鲁士蓝类似物、钒氧化物等多种正极材料进行储锌，并取得了一定的研究进展。
其中，聚苯胺插层五氧化二钒这种材料展现出了丰富的介孔结构以及优良的电导率。然而，由于该材料复杂的储能机制，还未在锌电领域进行应用。

文章简介

近日，山东大学张进涛教授课题组在Advanced Functional Materials (影响因子：16.836) 上发表题为“Regulation of Lamellar Structure of Vanadium Oxide via Polyaniline Intercalation for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Battery”的研究工作。
该课题组成功设计合成了聚苯胺插层的五氧化二钒纳米片，与金属锌负极构筑的水系锌离子电池的比容量高达372 mAh g-1，并具有优越的循环稳定性。
更重要的是，原位XRD测试表明，插层聚苯胺有效拓宽了五氧化二钒的晶面间距，从而在不发生相变的前提下容纳更多的锌离子。同时，柔性的共轭聚苯胺分子链能够在有限空间内协助缓冲锌离子插层过程造成的晶格应力，提高结构稳定性。另外，原位红外光谱测试也表明了锌离子和氢质子协同参与了聚苯胺分子的掺杂与去掺杂过程，有助于提高电池容量和循环稳定性。对于储能过程的深入理解，合理设计无机-有机层状结构材料用于高性能水系锌离子电池提供了设计思路。
该文章第一作者为山东大学博士研究生陈松，张进涛教授为本文通讯作者。

要点解析

要点一：通过一步水热的方法实现了苯胺的原位插层聚合。

图1.
（a）聚苯胺插层五氧化二钒合成示意图。
（b）五氧化二钒前驱体及不同量苯胺插层五氧化二钒XRD图。
（c，d）PANI100-V2O5（100 μL苯胺插层五氧化二钒）扫描电镜照片。
（e，f）PANI100-V2O5透射电镜照片。
（g）PANI100-V2O5高倍透射电镜图。
（h）五氧化二钒前驱体及PANI100-V2O5红外图。

要点二：与聚苯胺和经过煅烧除去插层聚苯胺的五氧化二钒相比，聚苯胺插层五氧化二钒可逆的多步储能过程有助于提高其比容量、倍率性能和长期的循环稳定性。

图2.
PANI100-V2O5、PANI和煅烧后五氧化二钒的
（a）CV曲线，
（b）PANI100-V2O5在0.5 A g-1电流密度下前几圈的电压-容量曲线。
（c）倍率性能
（d）PANI100-V2O5在不同电流密度下的电压-容量曲线。
（e）在5 A g-1电流密度下测试的电池循环稳定性。

要点3：电池的动力学过程分析揭示有机-无机插层结构有助于提高锌离子的扩散系数和储锌性能。

图3.
（a）Zn//PANI100-V2O5电池在不同扫速下的CV曲线。
（b）根据CV结果，log i相对于log v的拟合。
（c）不同扫速下，扩散控制和表面控制对于电池容量的贡献。
（d）在0.2 A g-1电流密度下的恒电流间歇滴定（GITT）曲线。
（e）充电过程选定工步下的GITT。
（f）在充放电过程中锌离子的扩散系数（D）。

要点4：通过原位XRD测试揭示了锌离子高度可逆的嵌入/脱嵌过程。以柔性的共轭聚苯胺链作为层间支柱可以有效扩展氧化钒的层间距为锌离子提供存储空间，同时缓冲锌离子脱嵌过程中氧化钒的结构变化，消除不可逆的相转变，从而提高循环稳定性。

图4.
（a）原位XRD测试及相关的时间-电压曲线。
（b）选定衍射角度下的高分辨等高线图。
（c）锌离子在PANI100-V2O5电极材料中的嵌入/脱出示意图。

要点5：XPS和原位红外光谱分析揭示了氧化还原过程中氧化钒价态和聚苯胺基团变化的高度可逆性。

图5.
PANI100-V2O5电极在初始状态、放电状态以及充电状态的（a）XPS全谱、（b）V 2p、（c）Zn 2p以及（d）N 1s精细谱。
（e）PANI100-V2O5电极的原位傅里叶变换衰减全反射红外光谱。

结论

综上所述，我们通过一步水热的方法成功合成了聚苯胺插层的五氧化二钒。通过调整水热温度以及聚苯胺与五氧化二钒之间的比例，获得了优化后的复合电极材料。最终获得晶面扩大的聚苯胺插层五氧化二钒材料展现出了比斜方晶系五氧化二钒更大的容量，更优越的倍率性能。
此外，聚苯胺作为支柱，赋予了复合材料优越的循环稳定性，更重要的是，原位XRD和原位IR测试表明，聚苯胺作为客体材料不仅有助于调控五氧化二钒的层间距以提高锌离子存储性能，而且作为一种柔性链还可以抑制晶格结构的不可逆相转变，提高循环稳定性。同时，锌离子和氢质子在聚苯胺链上可以实现可逆协同掺杂从而提高了电化学性能。为合理设计有机-无机复合材料，增强锌离子的可逆储存性能提供重要的参考。

文章链接

Regulation of Lamellar Structure of Vanadium Oxide via Polyaniline Intercalation for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Battery
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003890

通讯作者介绍

张进涛，2012年于新加坡国立大学取得博士学位。现为山东大学教授。
入选山东省泰山学者计划青年专家，海外高层次人才计划青年项目。主要从事高性能电极材料的表界面电化学与电催化储能机理研究。

课题组介绍

本课题长期致力于高性能的新型电极材料开发及电化学能源存储与转化器件构建方面的研究工作。以电化学方法和技术为基础，对新能源材料在能源存储与转化器件中的应用进行理论阐释与实验探索；揭示理解其中的新现象、新理论，阐明材料结构与性能间的构效关系；实现材料结构和电化学性能的有效调控，建立和发展新型能源材料宏量可控的制备方法和技术；构建高效、清洁的新型能源器件。
包括以下研究方向：
（1）新型能源材料和器件的设计与性能优化。研究复合材料的储能机理，指导新型复合储能材料的制备及其应用（如金属空气电池、锂-碘电池、超级电容器等）；
（2）非贵金属催化剂的创新性合成与应用。设计合成低花费、高催化活性的多功能催化剂，用于金属空气电池、燃料电池、电催化制氢产氧、电化学二氧化碳还原等。
http://faculty.sdu.edu.cn/ees/zh_CN/index.htm

课题组招聘

课题组诚聘电化学方向博士后—长期有效
一、研究方向
1.碳基功能材料电催化、储能机理与应用研究（如锌空气电池和锂碘电池）；
2.非贵金属催化剂设计及其二氧化碳还原、电解水催化性能研究；
3.原位电化学方法与电催化储能机理研究
二、招聘条件
1.具有良好的职业道德，较强的事业心和责任感，具有良好的人际沟通能力； 
2.已获得博士学位或近期内能顺利完成博士论文答辩并获得博士学位者（不超过35岁）；
3.具有较高的科研能力和科研水平，在国际重要学术刊物发表高水平文章者优先；
三、岗位待遇
1.根据研究背景及成果，年薪20-40万，课题组将根据个人工作能力和科研成果给予科研奖励
注:（1）具有良好科研背景的博士后入站后可直接给予10万元绩效，优秀博士后出站可以留校任教；（2）如果对待遇有任何想法，非常欢迎提出你自己希望的薪资待遇；
2.提供优良的工作环境，享受五险一金，其它福利待遇参照正式职工；
3.作为负责人积极申请国家自然科学基金及省、市各级课题；
4.表现优异且有意在山东大学继续发展者，可聘为助理研究员或副研究员。符合条件的可以申请山东大学齐鲁青年学者等获得相应人才补贴；
其它待遇：
1.学校现有四所附属医院及多家附属中小幼教（山大附中在初中部全国第二），能够为关系转入我校的博士后提供优质的医疗保健服务和基础教育服务；
2.博士后在站期间按在职教师同等标准缴纳社会保险和住房公积金，与在职教师享有同等的图书及科研资源；
3.学校为符合条件的博士后提供博士后公寓供优惠租住；
4.学校提供科研启动经费，资助期限为两年；
5.学校实施国际学术交流项目，支持在站博士后参加国际高水平学术活动；
6.课题组协助应聘者申请国家和省部级各类博士后基金项目；
7.济南校本部入选者且符合济南市相关政策的享受5000元/月资助；在济购房可申请相应的购房补贴。
联系方式：jtzhang@sdu.edu.cn

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