原位電化學策略誘導生成VS2/VOx異質結構,實現高容量的鋅離子和銨根離子存儲

2021-01-18 能源學人

【研究背景】

水系電池由於其安全性好，裝配成本低以及其電解液離子電導率高等優點，在近些年來受到了廣泛關注。但是，在眾多的水系電池正極材料中，過渡金屬硫化物受到的關注較少，與其在有機體系電池中的研究情況形成鮮明對比。這一現象的主要原因在於過渡金屬硫化物在水系環境下的不穩定性，導致其表現出的容量不夠高，工作電壓較低以及容量衰減過快。因此，提高其容量和工作電壓，開闢高性能過渡金屬硫化物水系電池正極材料的新領土仍然是個難題。

 

【成果簡介】

近日，吉林大學杜菲教授和新加坡南洋理工大學申澤驤教授等人針對VS2在水系環境下的不穩定性這一缺點，報告了一種基於原位電化學氧化策略構建的VS2/VOx異質結構。VS2具有較高的電子電導率而釩氧化物則具有較好的穩定性，所構建的VS2/VOx異質結構糅合了兩種材料的優點，表現出極佳的倍率性能和循環穩定性，並提升了工作電壓。在鋅離子電池中，在10 A g−1的電流密度下，放電容量仍然可以達到156 mA h g−1；在大電流密度1A g-1下，在3000次循環後，容量保持率可達到75%；其工作電壓與VS2電極相比提升了0.25 V。此外，當作為銨根離子電池正極材料時，循環1000次之後，放電容量仍然可以達到150 mA hg-1。非原位XRD, XPS和FTIR等手段探究了鋅離子和銨根離子在該異質結構中的存儲機理。該文章發表在國際著名期刊Advanced Functional Materials上，博士研究生於東旭和魏芷宣博士為本文共同第一作者。

 

【內容表述】 

圖1. (a) VS2的合成過程示意圖； (b) VS2的X射線衍射譜; (c) VS2的晶體結構示意圖； (d, e) VS2的掃描電子顯微鏡圖； (f，g) VS2的透射電子顯微鏡圖和高分辨透射電子顯微鏡圖。 

圖2. (a) VS2 在50 mA g-1下的首次充放電曲線； (b) VS2/VOx 異質結構和VS2 的X射線衍射譜的比較；(c) VS2/VOx 異質結構和VS2的傅立葉紅外變換光譜；(d) VS2/VOx 異質結構和VS2 的X射線光電子能譜；(e) VS2/VOx 異質結構的O1s X射線光電子能譜。 

圖3. 電化學原位形成的VS2/VOx異質結構的形貌和微觀結構 (a) 掃描電子顯微鏡圖; (b) 透射電子顯微鏡圖; (c, d) 高分辨透射電鏡圖。 

圖4. (a) VS2/VOx 異質結構和VS2在掃速為0.5 mV s-1的循環伏安曲線; (b) VS2/VOx 異質結構和VS2 的第二次充放電曲線; (c) VS2/VOx異質結構 在0.05 A g-1下的循環性能; (d) VS2/VOx 異質結構和VS2 在 1 A g-1下的循環性能的比較; (e) VS2/VOx 異質結構和VS2的倍率性能的比較; (f) VS2/VOx 異質結構的多掃速循環伏安曲線; (g) 兩對氧化還原峰的b值; (h) 贗電容貢獻的比例。 

圖5. VS2/VOx 異質結構在5 m (NH4)2SO4電解液中的電化學性質 (a) 循環伏安曲線; (b) 充放電曲線；(c) VS2/VOx異質結構 與 VS2 在5 m (NH4)2SO4 電解液中的循環性能的比較 (d) VS2/VOx異質結構 在1 A g-1電流密度下的循環性能； (e) VS2/VOx異質結構與 VS2 倍率性能的對比； (f) VS2/VOx 的倍率性能與當前所報導的儲銨材料的比較；(g) VS2/VOx 異質結構的多掃速循環伏安曲線；(h) 氧化峰與還原峰的log(i) vs log(v) 曲線。 

圖6. VS2/VOx 在水系鋅離子電池中 (a) 首次充放電曲線；(b) 非在位X射線衍射譜；VS2/VOx 在水系銨根離子電池中 (c)不同電壓點的非在位X射線衍射譜；(d) 不同電壓點的非在位X射線光電子能譜的O1s譜；(e) N1s譜；(f) 不同電壓點的非在位傅立葉紅外變換光譜。

 

【結論與展望】

總而言之，作者利用VS2在水中的不穩定性的缺點報導了一種基於原位電化學氧化策略製備VS2/VOx異質結構的方式。由於異質界面電場的作用，所形成的異質結構提升了反應動力學，材料表現出了優異的倍率性能；由於不同相之間的緊密相互作用，緩解了在大電流密度下材料的體積膨脹，提高了電池的循環穩定性。此外，所形成的異質結構在銨根離子電池中所展現的優異電化學性能，要優於目前所報導的銨根電池材料。這種原位電化學預處理方式為設計用於儲能電池或電催化領域的異質結構過渡金屬氧化物材料提供了一種有效的策略，同時也為解決過渡金屬硫化物在水系電池中的不穩定性提供了新的思路。

 

Dongxu Yu, Zhixuan Wei, Xinyuan Zhang, Yi Zeng, Chunzhong Wang, Gang Chen, Ze Xiang Shen, Fei Du. Boosting Zn2+ and NH4+ Storage in Aqueous Media via In-Situ Electrochemical Induced VS2/VOx Heterostructures. Advanced Functional Materials, 2020, 2008743. DOI:10.1002/adfm.202008743

 

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