开通会员 近期，中国科学院合肥物质院固体所胡林华研究员团队在高性能水系锌离子电池钒基正极材料研究方面取得新进展。团队利用电化学诱导相变反应策略，极大提高了钒基正极材料的储锌性能；通过缺陷工程引入氧空位到层状结构的钒酸铵正极材料，显著提高了水系锌离子电池的能量密度和循环稳定性，相关研究成果发表在国际期刊 ACS Nano和 Small上。
水系锌离子电池具有理论比容量高、氧化还原电位低、安全可靠、环境友好等优点，是一种很有前途的规模化储能技术。然而，过去该类电池常用的液体电解液存在析氢析氧等副反应，同时还有较差的高低温性能和泄露的危险，这些问题一直制约着水系锌离子电池的进一步发展。
针对这些问题，研究人员利用电化学诱导相变反应策略和缺陷工程，成功提高了钒基正极材料的储锌性能。他们通过引入氧空位到层状结构的钒酸铵正极材料，显著提高了水系锌离子电池的能量密度和循环稳定性。
具体来说，他们在电化学循环过程中利用原子的自组装特性，电化学诱导钒基材料晶体结构重排，自发形成最适宜Zn2+嵌-脱的大层间距晶体结构。这种结构的变化减小了正极材料的带隙，提高了电导率，降低了Zn2+扩散的迁移障碍，使得诱导形成的V5O12·6H2O正极材料具有极高的Zn2+存储容量。
此外，他们通过简便的水热策略，将氧空位引入到层状钒酸铵中。氧空位的引入提高了离子和电荷转移动速率，降低了锌离子的扩散阻力，并在Zn2+（脱插）过程中保证了稳定的晶体结构。这种富含氧空位的钒酸铵正极材料在 0.2 A g-1 的条件下具有499 mAh g-1 的高放电比容量，在 5 A g-1 电流密度下循环 4000 次后比容量仍保持在95%以上。
该研究通过电化学诱导相变策略和缺陷工程获得了高性能钒基正极材料，显著提高了水系锌离子电池的能量密度和循环稳定性，为高性能水系锌离子正极材料的开发提供了新的研究思路。
ACS Nano 论文第一作者为固体所助理研究员莫立娥，通讯作者为固体所李兆乾副研究员、胡林华研究员。Small 论文第一作者为固体所博士生彭昱琦，通讯作者为固体所莫立娥助理研究员、胡林华研究员。上述研究工作得到了合肥物质院院长基金的支持。
图 1. V6O13正极材料的电化学诱导相变： (a) CV曲线； (b) 电池充放电曲线； (c) 正极材料原位 XRD图谱； (d) 电化学诱导相变反应机理图 (仅显示主要组分 )和 Zn2+/H+储存机理。
图 2. (a) 电池结构示意图； (b) 电池 5 A g-1大电流密度下的循环稳定性数据。