大连化物所吴忠帅研究员EnSM：超长循环寿命高容量水性锌离子电池中具有强耦合效应的层状非晶V2O5/石墨烯二维异质结构- 大数跨境

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大连化物所吴忠帅研究员EnSM：超长循环寿命高容量水性锌离子电池中具有强耦合效应的层状非晶V2O5/石墨烯二维异质结构

科学材料站

2020-07-06

导读：本文报道了一种通用的二维模板离子吸附法组装二维非晶V2O5/石墨烯异质结构，该结构具有高度稳定的逐层堆积结构和6 nm的超薄厚度，适用于高安全性的可充水性锌离子电池。

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导读

水性锌离子电池（ZIBs）是一种竞争性很强、极为安全的电化学储能装置，但由于正极材料结构的不稳定性，其循环性差、难以达到预计容量。

基于以上现状，中国科学院大连化学物理研究所的吴忠帅研究员等在国际知名期刊Energy storage materials上发表题为“Layer-by-layer stacked amorphous V2O5/Graphene 2D heterostructures with strong-coupling effect for high-capacity aqueous zinc-ion batteries with ultra-long cycle life”的论文。Xiao Wang 和Yaguang Li为本文共同第一作者。

图1. 图片概要

本文报道了一种通用的二维模板离子吸附法组装二维非晶V2O5/石墨烯异质结构，该结构具有高度稳定的逐层堆积结构和6 nm的超薄厚度，适用于高安全性的可充水性锌离子电池。

由于具有强协同效应的独特特性，所得到的ZIBs在0.3 A/g时具有447 mAh/g的高容量，在30 A/g时具有202 mAh/g的超常倍率能力，并且在30 A/g时具有高达20000个循环的超长寿命，大大优于所报道的钒基ZIBs。

此外，采用掩模辅助过滤策略构建的新型概念平面叉指型锌离子微电池，在0.2mA/cm2,下具有63mAh/cm3的大容量，49 mWh/cm3的高体积能量密度，柔韧性强，并采用串并联的模块化集成，提高了电源的容量和电压输出，显示出作为微型电源的巨大潜力。因此，这种方法将为ZIBs和其他电池提供各种各样的机会来构建具有快速离子电子导电性的逐层堆叠二维异质结构。。

背景简介

1. 水性锌离子电池的优点与挑战

锂离子电池是目前电动汽车和便携式电子产品的主要动力源，但安全问题和有限的锂资源可能严重阻碍锂离子电池在未来的大规模应用。为了克服这一问题，水性可充电非锂金属离子电池，包括一价（如Na+和K+）和多价（如Zn2+、Al3+和Mg2+）已被广泛开发为有前途的替代品，特别是在电网规模的储能中的应用，由于环境友好、来源丰富和离子含量较高比有机电解液（10-3-S/cm）的电导率大（>10-1 S/cm）。其中，水性锌离子电池（ZIBs）具有锌源地球丰度高、理论容量高（820 mAh/g）、氧化还原电位低（0.76 V vs.SHE）、锌与碱金属具有优异的水相容性等优点。然而，由于缺乏具有高容量和长周期寿命的高结构稳定性正极，ZIBs目前面临着巨大的科学挑战。

2. 可充电水性锌离子电池正极研究进展

为了解决这些问题，人们一直致力于开发用于水性锌离子电池的先进正极材料，包括锰氧化物、普鲁士蓝类似物（如FeFe（CN）6）、NASICON型材料（如Na3V2（PO4）3）、钒基化合物（如V2O5·nH2O、VOPO4、Na0.33V2O5，LixV2O5·nH2O、NaCa0.6V6O16·3H2O、Zn0.3V2O5·1.5H2O、Na1.1V3O7.9、VO2）和有机化合物（如芘-4,5,9,10-四酮、聚苯胺）。特别强调了水溶性氧化锆的高容量晶体钒氧化物具有成本低、易于生产的特点，但由于元素溶解、自聚集、低导电性以及Zn2+吸收和去除引起的活性物质相变等原因，其可持续性较差。

从这个角度来看，构建高性能ZIB的一个可靠策略是以可控的逐层堆叠顺序制造二维超薄、高容量、非晶正极（如V2O5）组装的基于石墨烯的异质结构，这可能有效地增强电子转移，由于协同作用强、无序结构稳定、缺陷丰富、二维层流约束等原因，可以缓解体积膨胀，实现性能提升。

值得注意的是，这种二维逐层异质结构具有高的可接近比表面积、近100%的活性材料利用率、导电纳米片中的快速电子输运以及在层状渗透空间中的快速离子扩散，这对于实现ZIBs的高容量和长期循环性是理想的。但是，利用超薄高容量V2O5和导电石墨烯对水溶性ZIBs的强耦合作用，制备出清晰的二维叠层异质结构还没有实现。

核心内容

在本文，作者报道了一种新的二维模板离子吸附策略，用于对高性能水性ZIBs（a-V2O5/G-ZIBs）具有强耦合效应的层状非晶V2O5/石墨烯（a- V2O5/G）二维异质结构的控制组装。

由于非晶态、超薄的V2O5层具有众多的活性中心，并且在异质结构中受2D柔性石墨烯限制的体积变化最小，组装后的A- V2O5/G-ZIBs在导电石墨烯中具有较高的电子输运路径，在2D层状纳米通道中具有较短的离子扩散距离。

值得注意的是，由此产生的A- V2O5/G-ZIB在0.3 A/G时具有447 mAh/G的高容量，在30 A/G时具有202 mAh/G的超常倍率能力，并且在30 A/G下循环20000次后具有前所未有的超长寿命，容量保持率为83%。在所报告的ZIB中从未同时获得如此高的容量和超长循环能力。

此外，采用掩模辅助过滤技术，成功地将具有锌负极叉指不对称微电极和A- V2O5/G正极的平面锌离子微电池（简称A- V2O5/G-ZIMBs）组装在单一衬底上。组装后的A- V2O5/G-ZIMBs在0.2 mA/cm~2下显示出令人印象深刻的57 mAh/cm~3的体积容量，45 mWh/cm~3的卓越能量密度，寿命长达1500个周期，并具有令人满意的串并联自集成。此外，平面A- V2O5/G-ZIMBs在不同弯曲状态下表现出优异的柔韧性和容量保持能力。

图二.

Morphological and structural characterizations of 2D A-V2O5/G heterostructure. (a) XRD patterns and (b) Raman spectra of A-V2O5/G and V2O5. (c) Top-view and (d) cross-section SEM images of A-V2O5/G heterostructures. (e) HRTEM image and SAED pattern (inset) of A-V2O5/G. f) AFM image and height profile (inset) of A-V2O5/G heterostructure on a silicon wafer. (g) Cross-section EDX mapping of V, O and C elements on 2D A-V2O5/G heterostructures.

文章链接:

Layer-by-layer stacked amorphous V2O5/Graphene 2D heterostructures with strong-coupling effect for high-capacity aqueous zinc-ion batteries with ultra-long cycle life

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405829720302245

导师简介:

吴忠帅研究员

吴忠帅，中共党员，博士，研究员。2004年和2007年在辽宁大学化学院分获理学学士和硕士学位；2011年在中科院金属研究所获工学博士学位，师从成会明院士和任文才研究员；2011年7月至2015年6月在德国马普高分子研究所从事博士后研究工作，合作导师著名化学家Klaus Müllen教授和冯新亮教授。2015年6月至今，中科院大连化学物理研究所工作，被聘为研究员、 “二维材料与能源器件（DNL21T3）”研究组组长。吴忠帅研究员长期从事石墨烯和二维材料的控制制备、结构设计及其在能源储存与转化等应用领域的研究。至2015年7月，共发表学术期刊论文39篇，其中影响因子>10的论文22篇。作为第一作者已在Nature Communications (1篇) 、Advanced Materials （6篇）、Journal of the American Chemical Society（2篇）、ACS Nano（4篇）、Advanced Functional Materials （2篇）、Nano Energy（邀请综述）、National Science Review（邀请综述）等国际权威杂志共发表学术论文21篇，其中影响因子>10的论文16篇。同时，与他人合作在J. Am. Chem. Soc.（3篇）、ACS Nano（2篇）、Adv. Energy Mater.等杂志发表论文17篇。以上论文已被SCI共引用6456次 (他引6352次；被Google Scholar引用7478次)，H-Index=23，每篇平均引用165次。其中第一作者论文单篇引用超过200次的论文11篇，超过300次的论文7篇，单篇最高引用929次。SCI高被引论文（highly cited）的论文18篇，ESI热点论文1篇。多篇论文被Materials Views、EurekAlert!、科学网、Elsevier及ACS网站平台等报道或“Highlight”。另外，申请专利13项（国际3项），已授权5项；发表会议论文23篇，应邀参加Carbon2013国际年会做大会Invited Talk（40min）、Graphene Week 2013国际会议作Oral Talk、2014年CIMTEC大会作Invited Talk、和应Materials Today杂志副编辑Dr.Baptiste Gault邀请在Materialstoday.com上作网络虚拟会议报告。应邀撰写《Nanocarbon-Inorganic Hybrids》著作第十二章节。曾获得2011年度“中国科学院院长特别奖”，2012年度“中国科学院优秀博士学位论文”，2013年获得“Distinguished Winner of the Carbon Journal Prize 2013”（国际碳材料杰出青年科学家奖），2015年获得《Carbon》国际杂志2013/2014年优秀审稿人奖“Excellence in Review Award”等。同时，长期应邀作为审稿人或Adjudicative Reviewer评审Chem.Soc.Rev.、J.Am.Chem.Soc、Adv.Mater.、Energy Environ.Sci.、Sci.Rep.、Small、Chem.Mater.、Carbon、Chem.Commun.、J.Mater.Chem. A、ChemSusChem、Nanoscale、Nano Res、ACS Appl. Mat. Interfaces、Electrochem.Commun.等杂志上论文320余篇。