叶明新教授、沈剑锋教授，JMCA：用于超稳定锌离子储存的钒酸锌-导电框架异质结构- 大数跨境

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叶明新教授、沈剑锋教授，JMCA：用于超稳定锌离子储存的钒酸锌-导电框架异质结构

科学材料站

2021-08-01

导读：本文研究了一种先进的活性/导电异质结构V2CTX-ZnxV2O5·nH2O (VC-ZVO)。

文章信息

用于超稳定锌离子储存的钒酸锌-导电框架异质结构

第一作者：朱啸东

通讯作者：叶明新*，沈剑锋*

单位：复旦大学

研究背景

金属锌具有较高的析氢电位值，在水系电解质中较为稳定，因此可直接用作水系锌离子电池的负极。此外，锌离子电池具有安全性高、低成本、环保等特点，在智能穿戴设备和新一代大型储能装置中显示出巨大的应用潜力。科研人员对水系锌离子电池的正极材料进行了各种研究。

具有良好的稳定性和高容量的层状钒氧化物一直是水系锌离子电池的研究热点。根据离子嵌入/脱嵌机制，大晶格通道是储能过程中Zn离子可逆累积的必要因素。此外，结晶水的电荷屏蔽效应可以减少Zn2+与其他离子之间的相互作用，加速Zn离子的扩散。因此，具有预插层阳离子和较大层间距的水合氧化钒可大大改善离子扩散能力和电化学动力学过程。

然而，水合钒酸盐的导电性相对较差，导致离子/电子传输动力学缓慢，界面电阻高，这限制了其快速锌离子存储的速率性能。尽管可以通过添加高导电基底提高钒基正极的Zn2+倍率容量，但这种复合方法导致制备的复杂性和不确定性，并且在循环期间无法保持材料结构稳定性。因此，制备具有高导电性和大晶格通道的高稳定水系锌离子正极材料是一个巨大的挑战。

文章简介

基于此，来自复旦大学的叶明新教授和沈剑锋教授，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Zn2+-Intercalated V2O5·nH2O Derived from V2CTX MXene for Hyper-Stable Zinc-Ion Storage”的研究论文。

本文研究了一种先进的活性/导电异质结构V2CTX-ZnxV2O5·nH2O (VC-ZVO)。由于预插层Zn2+，异质结构中存在大量的界面，界面的电荷重分布和结构变化导致静电相互作用减弱，促进了Zn2+的扩散并抑制了正极溶解。

因此VC-ZVO正极具有扩散通道稳定、锌离子扩散快、电导率高等特点比各种插层水合钒酸盐和其他钒基阴极具有更高的倍率性能和更长的循环寿命。

图1. 异质结构的设计及其结构和形貌特性。

本文要点

为了评价VC-ZVO电极的电化学性能，用锌箔作为阳极，VC-ZVO为阴极， 3 M Zn（CF3SO3）2为水系电解液组装成纽扣电池。在0.1 mV s-1的低扫描速下，整个循环的CV曲线重叠良好，表明电极的低极化和高可逆性。电化学结果表明，VC−ZVO电极比纯水合钒酸盐具有更高的比容量和倍率性能。

图2. 异质结构的电化学性能。

在低扫速时，扩散和电容控制共同占主导地位，这归因于ZVO的大晶格通道为客体离子嵌入提供了开放结构。电容行为在较高的扫速下有很大的提高。因此快速电荷转移产生的短离子扩散路径和高电容导致了优越的倍率性能。具体来说，结构水分子作为屏蔽层可以有效地削弱锌离子与晶格氧之间的静电相互作用，从而提高锌离子的扩散系数。

此外，预插层Zn2+在增加钒氧化物的晶格间距方面具有重要作用，为Zn2+的快速扩散提供了通道。由于ZVO纳米带与残余导电框架之间存在丰富的界面，界面上的电荷重新分布导致静电相互作用减弱，从而促进了Zn2+嵌入/脱嵌的快速电化学动力学。

因此Zn2+预插层的异质结构具有更高的电导率和更快的电荷转移扩散，从而改善了电化学动力学。