李维杰博士/韩朝/侴术雷AEM：钒氧化物超晶格中的电子离域和溶解抑制，以增强水性锌离子电池的电化学性能- 大数跨境

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李维杰博士/韩朝/侴术雷AEM：钒氧化物超晶格中的电子离域和溶解抑制，以增强水性锌离子电池的电化学性能

科学材料站

2020-11-19

导读：这项工作报道了一种氧化钒（V2O5-x）/聚苯胺（PANI-V）超晶格结构，用于克服水系锌离子电池中存在的正极溶解、扩散缓慢等缺点。

文章信息

钒氧化物超晶格中的电子离域和溶解抑制，以增强水性锌离子电池的电化学性能

First published: November 16, 2020

第一作者：李维杰

通讯作者：李维杰 *，韩朝*，侴术雷 *

研究背景

清洁可再生能源（太阳能，风能和水）的开发激发了科研工作者对大型储能系统（ESS）的研究热情。近来，尽管在有机电解质电池体系（如钠离子电池和锂离子电池）中获得了更多的研究成果，但是有机电解质存在一些安全隐患问题阻碍了它们在ESS中的实际应用。

相比之下，由于其安全性和对环境的低影响，水系电池被认为是ESS的具有前景的候选者。尤其是，水性锌离子电池（AZIBs）在各种水性电池中脱颖而出，由于锌金属负极的独特优点，包括低氧化还原电位，在水中的化学稳定性以及丰富的锌资源，引起了研究人员的更多关注。

文章简介

近日，卧龙岗大学李维杰博士与Chao Han ，Shu-Lei Chou等合作。在国际知名期刊 Advanced Energy Materials上发表题为“Electron Delocalization and Dissolution‐Restraint in Vanadium Oxide Superlattices to Boost Electrochemical Performance of Aqueous Zinc‐Ion Batteries”的研究工作。

这项工作报道了一种氧化钒（V2O5-x）/聚苯胺（PANI-V）超晶格结构，用于克服水系锌离子电池中存在的正极溶解、扩散缓慢等缺点。在该超晶格中，PANI层不仅起到隔离层的作用，以扩大V2O5-x的层间间距，而且还充当导电容量的贡献者。

除此之外，氧化钒/PANI超晶格结构产生了界面调节作用，使界面处电荷重新分布从而减弱了Zn离子的静电吸附作用，促进锌离子扩散动力学。

本文要点

要点一：本文首次证明了V2O5-x / PANI（PANI-V）超晶格结构作为一种新型的结构模型，克服水系锌离子电池的扩散慢、正极材料溶解等缺点。

要点二：为了探究PANI-V超晶格结构的电化学性能增强的原因，本文基于第一原理的密度泛函理论（DFT）进行了理论计算。结果表明，与原始的V2O5相比，锌离子与超晶格材料的结合能较小，使其在晶格中传输的阻力变小，有利于扩散。

要点三：超晶格结构设计诱导电荷的重新分布和层间间距扩展的策略将为其他用于锌离子水溶液存储的正极的设计提供启发。

第一作者及通讯作者专访

1. 该研究的设计思路和灵感来源

锌离子电池储能机理是锌离子在正极材料中进行脱嵌的过程。由于Zn离子是+2价，使得其与正极材料间的静电作用较大，从而减缓了锌离子的脱嵌过程。在催化剂设计中，常利用界面调节材料的电子分布，从而改变其催化性能。如果在正极材料中引入大量的界面，可以改变其电荷分布，从而减弱正极材料对锌离子的静电吸附作用，促进锌离子的扩散。超晶格结构的特点恰是具有丰富的界面，所以有了初步的设想：设计出一种正极材料的超晶格结构，有望可以改善锌离子电池的扩散慢等问题。

2. 实验难点有哪些？

难点在于PANI-V超晶格的表征上，由于材料的结晶度比较差，因此在进行XRD， TEM等表征时遇到困难，很难测到材料的晶格条纹。而且，在检测其储能机理时也会受到这一因素的影响。

3. 该报道与其它类似报道最大的区别在哪里？

本文与其他类似报道最大的区别，在于提出一种利用超晶格结构改善锌离子电池的扩散慢、正极材料溶解等问题的新思路。通过电化学测试、储能机理表征及第一性原理计算，证明超晶格结构由于存在丰富的界面，从而获得氧化钒的电荷重新分布，稳固材料结构，增大层间距，从而使氧化钒的储锌性能提高。

文章链接

Electron Delocalization and Dissolution‐Restraint in Vanadium Oxide Superlattices to Boost Electrochemical Performance of Aqueous Zinc‐Ion Batteries

https://doi.org/10.1002/aenm.202001852