秦家千，吴忠帅，张新宇教授 CEJ论文：用于超稳定水性摇椅锌离子电池的强耦合氧化钨/碳化钨异质混合物- 大数跨境

首页

秦家千，吴忠帅，张新宇教授 CEJ论文：用于超稳定水性摇椅锌离子电池的强耦合氧化钨/碳化钨异质混合物

科学材料站

2021-08-23

导读：该文章将氧化钨/碳化钨 (WO3/WC) 层状异质材料作为插层阳极和MnO2/石墨阴极组装，开发了一种具有优异循环稳定性和高能量密度的新型摇椅式 ZIBs。

文章信息

用于超稳定水性摇椅锌离子电池的强耦合氧化钨/碳化钨异质混合物

第一作者：曹金

通讯作者：秦家千，张新宇，吴忠帅

单位：泰国朱拉隆功大学，燕山大学，中国科学院大连化学物理研究所

研究背景

水性锌离子电池（ZIBs）因其储量丰富、安全性高和成本低廉而被公认为继锂离子电池后的又一高性能电化学储能设备。然而，锌金属负极不可控的枝晶生长和极低的利用率（<5%）严重限制了 ZIBs 的大规模应用。

规避上述挑战的有效方法是合理设计无锌金属摇椅式 ZIBs，其中锌离子在阴极和阳极中实现可逆嵌入/脱嵌，从而消除锌枝晶并提高Zn2+利用效率。

文章简介

基于此，来自朱拉隆功大学的秦家千研究员与燕山大学张新宇教授和中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Strongly Coupled Tungsten Oxide/Carbide Heterogeneous Hybrid for Ultrastable Aqueous Rocking‐Chair Zinc-Ion Batteries”的文章。该文章将氧化钨/碳化钨 (WO3/WC) 层状异质材料作为插层阳极和MnO2/石墨阴极组装，开发了一种具有优异循环稳定性和高能量密度的新型摇椅式 ZIBs。

得益于WO3 和 WC之间良好的界面能和电子耦合，WO3/WC||Zn 电池在 0.1 A g-1 得电流密度下提供了 164 mAh g-1 的比容量，在 1 A g-1 下循环 1000 次后还能保持 90.2%。基于WO3/WC的较低的 Zn2+ 嵌入电位（0.43 V vs. Zn2+/Zn)，以及可逆的 Zn2+ 嵌入/脱出行为，因此将WO3/WC作为可插入型阳极与MnO2/石墨阴极组装成锌离子摇椅电池。

组装的 WO3/WC||MnO2/石墨摇椅式 ZIBs 在 0.1 A g-1 时提供了 69 mAh g-1 的容量和85 Wh kg-1 的能量密度（基于阴极阳极总质量），以及~100%的循环稳定性在循环10000次后，性能优于目前报道的大多数摇椅式ZIBs。

图文解读

图一：WO3/WC材料的表征。

图1 (a) WC、WO3 和 WO3/WC 的 XRD 谱。(b) WO3/WC 异质杂化结构示意图。(c) SEM, (d) TEM, (e) HRTEM 和 (f) WO3/WC的晶格距离图。(g) WO3 和 WO3/WC 杂化物的 W 4f 谱。(h) WO3/WC 的 O 1s 和 (i) C 1s 谱。

图二：WO3/WC的电化学性能。

图2 (a) WO3/WC-ZIBs 的 GCD曲线。(b) WO3/WC-ZIBs的 CV 曲线。(c) WC-ZIBs、WO3-ZIBs 和 WO3/WC-ZIBs 的 GCD 曲线。(d) WC-ZIBs、WO3-ZIBs 和 WO3/WC-ZIBs 的倍率性能。(e) WC-ZIBs、WO3-ZIBs 和 WO3/WC-ZIBs 的 EIS。WC-ZIBs、WO3-ZIBs 和 WO3/WC-ZIBs 在 (f) 0.6 A g-1 和 (g) 1.0 A g-1 下的循环性能。(h) WO3/WC-ZIBs的 Ragone 图。

图三：WO3/WC的电化学动力学分析

图3 (a) WO3/WC-ZIBs 的 CV 曲线。(b) log i - log v。WO3/WC-ZIBs 在 (c) 0.1 mV s-1 和 (d) 0.1 - 0.5 mV s-1 的电容贡献。(e) WO3/WC-ZIBs 的 GITT 曲线。(f) WO3/WC 的电荷密度。

图四：WO3/WC的插入机理分析

图4 (a) 异位 XRD图谱，(b) W 4f谱，(c)Zn 2p 光谱。(d) WO3/WC 放电后的元素分布图。(e) WO3/WC中 Zn2+ 存储的电化学机制。

图五：WO3/WC||MnO2/石墨摇椅电池的电化学性能

图5。(a) 摇椅电池示意图，(b) CV 曲线，(c) 倍率容量，(d) GCD 曲线，(e) 循环稳定性和 (f) WO3/WC||MnO2/石墨电池的 Ragone 图。

小结

通过简便的方法合成了具有良好界面能和强电子耦合的氧化钨/碳化钨层状杂化异质（WO3/WC），并作为摇椅式 ZIBs 的插层阳极进行了研究。这项工作为设计用于储能应用的高安全性和长寿命锌离子全电池提供了可靠的策略。

文章链接

Strongly Coupled Tungsten Oxide/Carbide Heterogeneous Hybrid for Ultrastable Aqueous Rocking-Chair Zinc-Ion Batteries

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721034732

通讯作者介绍

秦家千，博士，泰国朱拉隆功大学研究员，博士生导师。

长期从事新材料的制备与应用的研究工作，已在国际一流刊物上发表论文100余篇，申请专利30余项，已获授权专利15项。目前担任Scientific Reports和Journal of Metals, Materials and Minerals编辑。秦家千博士领导的能源转换与储存实验室隶属于朱拉隆功大学冶金与材料科学研究所，是研究所主要研究组之一。目前，本实验成员由教授，博士后，在读博/硕士及本科生组成。主要从事储能材料及新型电池技术的研究与开发。实验室目前得到泰国能源部，泰国国家研究基金理事会(National Research Council of Thailand), 泰国国家科学与技术发展局(National Science and Technology Development Agency)，朱拉隆功大学的energy storage cluster, Research Unit of Advanced Materials for Energy Storage, Center of Excellence in Smart Wearable Devices等项目支持，已具有先进电池实验所需所有设备。本实验室有一定朱拉隆功大学C2F奖学金支持的博士后和博士生名额，

欢迎访问课题组网站：jiaqianqin.com 及邮件咨询: jiaqian.q@chula.ac.th。