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钾/锂离子电池：用于高性能凝胶锌离子电池和钾电池的微米级纳米多孔五氧化二钒阵列
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钾/锂离子电池：用于高性能凝胶锌离子电池和钾电池的微米级纳米多孔五氧化二钒阵列

钾/锂离子电池：用于高性能凝胶锌离子电池和钾电池的微米级纳米多孔五氧化二钒阵列 科学材料站
2020-05-04
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导读：本文以V2CTx MXene为原料，经一步退火工艺合成了形态可调的微米级纳米孔V2O5阵列展示出高容量，良好的循环稳定性以及优越的速率性能。并进一步探讨了退火条件对V2O5的结晶度、微观结构和电化学性
Available online 15 April 2020
山东大学

导读

高性能的阴极是各种可充电电池的关键，五氧化二钒(V2O5)因其理论容量大、储量丰富、安全性能好等优点，在各种电池中有着广泛的应用。然而，不可逆的相变和缓慢的离子扩散限制了其进展。在此，以V2CTx MXene为原料，经一步退火工艺合成了形态可调的微米级纳米孔V2O5阵列展示出高容量，良好的循环稳定性以及优越的速率性能。并进一步探讨了退火条件对V2O5的结晶度、微观结构和电化学性能的影响。通过定量动力学分析，探讨了锌贮存增强机理。此外，V2O5阴极还提供了一个改进的钾存储性能。这项工作可能为下一代电池系统提供一种用氙气材料制造高性能电极的通用方法。


背景简介

1.  V2O5在实际可充电电池应用中的阻碍以及解决方案
V2O5在实际的可充电电池中还没有实现，这主要归结于以下几个问题:
(1)V2O5由于其d波段的移动性较慢，其电导率天生较低。
(2)金属离子在V2O5中的插入和扩散比较困难。
(3)充放电过程中的结构相变会引起晶格应变，导致结构不可逆损伤，最终导致不可逆的容量损失和较短的循环寿命。
最近，为克服这些挑战进行了大量的努力。
  • 金属离子和水分子的插入对稳定V2O5的层状结构具有积极的作用。然而，它可能改变V2O5的结构，降低V2O5基阴极的比容量。
  • 纯V2O5的Zn2+储存性能还有待提高。
  • 具有较大活性表面积的二维(2D)结构可以增加电极与电解质之间的接触面积，提供大量的活性位点，促进离子的传输，这可能是解决V2O5问题的有效方法。然而，可扩展和方便的制造2D V2O5仍然是一个巨大的挑战。

2.V2CTxMxene材料

二维MXene材料被认为是催化、储能等领域最有前途的材料之一，其独特的结构和电子性质、多样的化学成分等都是其发展的动力。V2CTx MXene被认为是一种很有前途的赝电容性材料，因为V的多种氧化态可能会带来高电荷存储电容，而这已经等到Zhi的团队的证明。

V2CTx MXene可以通过工业V2AlC的酸蚀得到。如果V2CTx可以直接转化为形态可调的V2O5，这将为V2O5的制备提供一条新的途径。但是，通过热退火制备的的V2CTx MXene的V2O5尚未被完全报道。

核心内容

在此，山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室冯金奎老师等人提出了一种由热退火法制备的形态可调微米大小的纳米孔V2O5阵列作为凝胶ZIBs和钾电池(KIBs)的高性能阴极，并探讨了探讨了退火条件下V2O5的结晶度、微观结构和电化学性能的变化。该工作发表在国际知名期刊Chemical of Materials上，文章第一作者Yuan Yian。

作者以V2CTx MXene为前驱体，采用一步退火法制备了纳米微孔V2O5阵列。通过调节反应时间，可以调节V2CTx MXene的形貌和组成。该V2O5产品提供了独特的二维结构、多孔设计和假电容效应，从而保证了高离子可及性、突出的结构稳定性和快速的电荷传输。

结果，在200mA g -1下循环超过400次后为358.7 mA h g−1，在2000mA g -1下循环超过3500次后为279 mA h g−1，体现出良好的稳定性。250.4 mA h g-1优越的速率容量为，8000 mA g-1的高容量。此外，纳米微孔V2O5阴极提供了一个增强的钾存储性能。

图3. V2O5的形态学鉴定。
(a) SEM, (e,i) TEM of V2CTx-350-0.1. (b) SEM, (f,j) TEM of V2CTx-350-1. (c) SEM, (g,k) TEM of V2CTx-450-0.1, and (d) SEM, (h,l) TEM of V2CTx-450-1. (m−p) The TEM images and corresponding electron energy loss spectroscopy (EELS) maps of V2CTx-350-0.1.

图4. 准固态ZIBs用V2O5阴极的电化学表征。
(a) Self-healing behaviors of the PVA−Zn(CF3SO3)2 hydrogel electrolyte with and without helianthin B for coloration. (b) Cycling performance of the V2O5 (V2CTx-350-0.1, V2CTx-350-1, V2CTx-450- 0.1, and V2CTx-450-1) and commercial V2O5 cathodes at 200 mA g−1 . (c) Rate capability and (d) capacity retention of V2CTx-350-0.1 and commercial V2O5 cathodes at current densities from 200 to 8000 mA g−1 . Galvanostatic discharge/charge profiles of the V2CTx-350-0.1 cathode at (e) 200 mA g−1 , (f) from 200 to 8000 mA g−1 , and (g) from 5000 to 200 mA g−1 . (h) Long-term cycling performance of the V2CTx-350-0.1 cathode at 2000 mA g−1 between 0.2 and 1.6 V.

文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c00787

导师简介:

冯金奎 助理教授
2008年获得武汉大学化学院电化学专业博士学位，其后分别在新加坡国立大学、美国宾夕法尼亚州立大学从事电化学相关研究工作，2012年到山东大学担任副教授职务。博士在电化学储能领域特别是锂电池相关领域有10多年研发经历，主持或作为主要研究人员参与了数项国家重点基础研究发展规划（973）项目、新加坡-欧盟联合项目、美国DOE项目、国家自然科学基金以及多项企业项目。在专业国际顶级期刊以通讯联系人或第一作者身份发表SCI 20多篇，Journal of Physcial Chemistry, Electrochemistry Communication，Journal of Power Sources ，Electrochimica Acta， Nanoscale等。申请国内外专利10多项，获得专利授权三项。


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