南开|牛志强教授课题组Angew：电化学诱导MOF衍生的非晶态V2O5用于高倍率水性锌离子电池- 大数跨境

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南开|牛志强教授课题组Angew：电化学诱导MOF衍生的非晶态V2O5用于高倍率水性锌离子电池

科学材料站

2020-09-08

导读：本文开发了一种原位电化学诱导策略来制备MOF衍生的a-V2O5 @ C复合材料。在这种复合物中，V2O5为非晶态并且均匀地分布在碳骨架中。非晶态结构赋予V2O5更多的各向同性Zn2+扩散路径和活性位点

文章信息

电化学诱导MOF衍生的非晶态V2O5用于高倍率水性锌离子电池

第一作者：Shenzhen Deng

通讯作者：牛志强*

研究背景

由于锌负极显示出高的理论容量（820 mAh g-1），在水中的出色稳定性和低成本，因此可再充电的水性锌离子电池（ZIBs）受到越来越多的关注。最近，已开发出多种材料用作ZIB的正极，例如过渡金属基化合物，普鲁士蓝类似物]和有机材料。其中，钒由于多价态和开放框架的晶体结构，基料通常显示出较高的理论比容量和出色的循环稳定性。尽管在制备水性ZIBs的钒基正极材料方面已经做出了巨大努力，但它们的合理设计仍处于起步阶段。具有增强性能的可行的钒基正极材料必须进一步考虑和开发。其电化学性能正取决于其结晶度和与碳材料的复合状态。

文章简介

近日，南开大学牛志强教授课题组在国际顶级期刊Angewandte Chemie (影响因子：12.257) 上发表题为“Electrochemically Induced MOF‐Derived Amorphous V2O5 for Superior Rate Aqueous Zn‐Ion Batteries”的研究工作。

该工作首次开发了一种原位电化学感应策略，以制备由MOF衍生的非晶态V2O5 和碳材料（a-V2O5@C）的复合材料，其中V2O5为非晶态并均匀分布在碳框架中。非晶态结构赋予V2O5更多的各向同性Zn2+扩散途径和活性位点，导致Zn2+的快速迁移和高比容量。多孔碳骨架提供了连续的电子传输途径和离子扩散通道。结果，a-V2O5@C复合材料显示出非凡的电化学性能。这项工作将为设计具有优异速率性能的ZIB正极铺平道路。

该文章第一作者为Shenzhen Deng，牛志强教授为本文通讯作者。

要点解析

要点一：原料粉末制备和表征

图1.

（a）装配示意图。

（b）MIL88B（V）粉末，c-V2O3@C和a-V2O5@C电极的XRD图谱。

（c）V 2p3/2的XPS光谱。

（d）V K边缘XANES光谱。

（e）c-V2O3@C和（g）a-V2O5@C的TEM图像。

（f）c-V2O3@C和（h）a-V2O5@C的HRTEM和SAED模式。

要点二：a-V2O5@C的电化学性能优异

图2. a-V2O5@C的电化学性能

（a）0.1 mV s-1时的CV曲线。

（b）在0.3 A g-1时的充电/放电曲线。

（c）1 A g-1的循环性能。

（d）倍率性能

（e）比较基于报道的基于钒氧化物的复合电极的带有ZIB的a-V2O5@C电池的能量和功率密度。

（f）40 A g-1的长期循环测试。

要点三：Zn / a-V2O5电池的能量储存机制和柔性性能

图3. Zn/a-V2O5@C电池的能量存储机制。

（a）0.3 A g-1的充放电曲线。

（b）O 1s，

（c）V 2p和（d）Zn 2p的2D等高线图像的相应异地XPS光谱。

（e）完全放电的a-V2O5@C电极的TEM元素映射图像。

图4. 柔性Zn/a-V2O5@C电池的配置和性能。

（a）柔性软包装电池的示意图。

（b）在1 A g-1的不同弯曲状态下的充电/放电曲线。

（c）在10 A g-1的不同弯曲状态下的循环性能。包含86个灯泡的LED阵列的光学图像，该灯泡由两个软包装电池串联供电，处于（d）平坦状态和（e）弯曲状态。

结论

总而言之，我们开发了一种原位电化学诱导策略来制备MOF衍生的a-V2O5 @ C复合材料。在这种复合物中，V2O5为非晶态并且均匀地分布在碳骨架中。非晶态结构赋予V2O5更多的各向同性Zn2+扩散路径和活性位点，从而实现了Zn2+的快速迁移和高比容量。多孔碳骨架提供了连续的电子传输途径和离子扩散通道。

结果，a-V2O5@C提供了非凡的Zn离子存储能力，包括在0.3 A g-1时具有620.2 mAh g-1的超高可逆容量，打破了20000个循环的记录，在40.0 A g-1时，保持了91.4％的容量，在200 A g -1（≈2571 C）的超高电流密度下保持72.8 mAh g-1的优异速率能力。这项工作为设计具有超高性能的复合正极材料提供了一种有希望的策略。

文章链接

Electrochemically Induced MOF‐Derived Amorphous V2O5 for Superior Rate Aqueous Zn‐Ion Batteries

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202010287

通讯作者介绍

牛志强，教授，博士生导师。

2010年毕业于中国科学院物理研究所（导师：解思深院士），2010年-2014年在新加坡南洋理工大学从事博士后研究，2014年通过南开大学“人才特区”入职南开大学化学学院先进能源材料化学教育部重点实验室。获2018年国家优青；2015年南开大学百名青年学科带头人。

近年来，在国际期刊发表论文70余篇，其中，Chemical Society Reviews 1篇，Nature Communications 1篇，Advanced Materials 8篇, Energy & Environmental Science 2 篇，Advanced Energy Material 1篇，ACS Nano 1篇，Advanced Functional Material 5篇，12篇论文入选ESI高被引论文；申请6项国内外专利，参与编写三部英文著作章节。

研究兴趣包括：

1. 新型碳纳米材料的组装与纳米复合

2. 超级电容器、锂离子电池、锌离子电池等

3. 柔性，可穿戴储能器件材料与器件设计