【纳米】ACS Nano | 氧化钒纳米异质结界面工程实现高能长寿命钾离子存储- 大数跨境

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2022-02-16

导读：苏州大学高立军教授联合爱尔兰圣三一学院Valeria Nicolosi教授以及南京大学王昊副研究员在ACS Nano上发表了氧化钒纳米异质结界面工程实现高能长寿命钾离子存储的研究。

英文原题：Interfacial Engineered Vanadium Oxide Nanoheterostructures Synchronizing High-Energy and Long-Term Potassium-Ion Storage

通讯作者：Hao Wang (王昊)，南京大学；Valeria Nicolosi，都柏林圣三一学院；Lijun Gao (高立军)，苏州大学

作者：Xiaoxiao Kuai (蒯笑笑), Ke Li (李科), Jianmei Chen (陈建美), Junyi Yao (姚俊屹)，Chao-Lung Chiang (江昭龙), Tingting Liu (刘婷婷), Hanzhang Ye (叶翰章), Jianqing Zhao (赵建庆), Yan-Gu Lin (林彦谷), Labao Zhang (张蜡宝)

背景介绍

兼具高能量/功率密度的锂离子混合电容器在储能领域具有极其重要的应用前景。然而锂的成本以及锂资源的枯竭阻碍了锂离子混合电容器的大规模应用。地壳中钾的储量几乎是锂的一千倍，并且钾的还原电位接近锂，因此有望设计出和锂离子混合电容器相当电化学性能的钾离子混合电容器。然而实现高能量/功率密度和长寿命的钾离子混合电容器仍有挑战性，因为大尺寸的钾离子导致缓慢的动力学和电极材料粉化等问题。异质结由于其显著的界面效应和功函数差异在异质界面产生的内建电场，使其成为有潜力的电极材料候选。这些特性可以显著缓解界面应力并促进反应动力学和电子/离子传输，从而提高电化学性能。

图1. VO₂-V₂O₅/NC样品表征

文章亮点

近日，苏州大学高立军教授联合爱尔兰圣三一学院Valeria Nicolosi教授以及南京大学王昊副研究员在ACS Nano上发表了氧化钒纳米异质结界面工程实现高能长寿命钾离子存储的研究。通过自模板策略开发了封装在3D N掺杂碳网上的超小VO₂-V₂O₅异质结构，进而研究其钾离子存储性能。

图2. VO₂-V₂O₅/NC//AC钾离子混合电容器性能

将VO₂-V₂O₅/NC作为负极，AC作为正极，组装成KIC器件，该器件展现出优异的电化学性能。该KIC的工作电压达到4 V，在100 W/kg的功率密度下，能量密度为154 Wh/kg，在10000 W/kg的最大功率密度下，能量密度为22 Wh/kg。此外，在1 A/g的电流密度下，经过5000次循环后，容量保持率为85.1%，经过10000次循环后，容量保持率为72.1%。

总结/展望

综上所述，本工作通过采用异质结构的策略，缓解钾离子在嵌入/脱出过程中的界面应力，并促进其反应动力学以及电子/离子的传输，成功合成出VO₂-V₂O₅/NC复合材料。基于VO₂-V₂O₅异质结构的超小尺寸，良好的界面效应以及高导电的3D碳网，使得VO₂-V₂O₅/NC有着优异的储钾性能。这种具有异质结构以及高导电碳网的复合材料能有效克服纯相材料在反应过程中的不可逆反应，缓慢的动力学和较差的循环性能的缺点，为进一步开发高能量/功率密度的混合电容器提供新的思路。

相关论文发表在ACS Nano上，苏州大学博士研究生蒯笑笑为文章的第一作者（李科博士，陈建美博士为共同第一作者）。

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