大連理工《JMCA》：高性能可充電鋅離子電池的自支撐正極材料！

2020-10-18 材料科學與工程

導讀：本文報導了一種在鹼處理碳布上原位生長的二維水合釩酸銨納米片作為高性能鋅離子電池（ZIBs）的自支撐正極的方法。以此材料組裝的紐扣ZIB在0.1 A g-1的電流密度下能達到523 mA h g-1，能量密度達到343 W h kg-1@150 W kg-1。在組裝成準固態柔性ZIB時，能夠保持良好的穩定性。

現如今，社會對環保、安全、高效、低成本的先進儲能設備的迫切需求，推動了二次電池的研究。在可充電電池中，鋰離子電池因其能量密度高而被認為是最有前途的間歇可再生能源存儲技術；但其安全性差、成本高，阻礙了其進一步大規模應用。作為另一種選擇，除了擁有與LIBs類似的搖椅機制外，水性可充電鋅離子電池（ARZIBs）更安全，且資源儲備更廣泛。其中特別是為了適應可攜式、可穿戴電子產品的快速發展，柔性ARZIBs的開發具有了更高的要求。

雖然鋅陽極具有諸多優點，但由於缺乏合適的鋅離子基質材料，ARZIBs仍處於發展階段。到目前為止，已經有各種各樣的材料被開發作為ZIBs的陰極，如錳基氧化物，普魯士藍類似物，聚陰離子化合物和釩基化合物等。然而，大多數報導的材料存在倍率性能不足、容量低和能量密度。現階段，迫切需要探索能夠快速穩定地充分適應Zn2+插入/提取的獨立材料，以促進ARZIBs的發展。近年來，層狀釩酸銨因其分子量和密度較小、NH4 +的柱化作用等一系列優勢被用作ARZIBs的正極材料且而受到廣泛關注。

基於上述基礎，大連理工大學與新加坡國立大學的研究團隊開發出了一種原位生長碳布（CC）上的水合釩酸銨無粘結正極材料。由此材料組裝的無論是在紐扣還是準固態柔性ZIBs都表現出優異的性能。近日，此工作以「In situ grown 2D hydrated ammonium vanadate nanosheets on carboncloth as a free-standing cathode for high-performance rechargeable Zn-ion batteries」為題，發表在國際知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。

論文連結：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta05065b
 
作者開發了一種簡單有效的水熱方法，在鹼處理的CC上直接原位生長獨立的2D水合釩酸銨納米片（NV NSs@ACC），作為高性能ARZIBs的無粘結正極。這種自支撐設計不僅解決了二維材料在應用中的堆疊、團聚問題，同時也減少了粘結劑對材料性能的影響。因此，以此材料組裝的紐扣ZIB在0.1 A g-1的電流密度下能達到523 mA h g-1，能量密度達到343 W h kg-1@150 W kg-1；在組裝成準固態柔性ZIB時，能夠保持良好的穩定性。另外，作者通過電化學測試、ex-XRD和ex-XPS分析系統地研究了Zn2+插層的高可逆行為。這項工作為促進二維釩基材料在ARZIBs中的大規模應用甚至儲能設備的發展開闢了一條新途徑。（文：天航）

圖1. 柔性NV NSs@ACC電極的製作過程示意圖。

圖2. NV NSs@ACC的形貌及結構表徵。

圖3. NV NSs@ACC電極組裝ARZIB性能圖。

圖4. ex-XRD和ex-XPS分析圖。

圖5. NV NSs@ACC電極組裝柔性ZIB性能圖。

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