Nano Energy：铝离子扩层V2O5⋅nH2O用于下功能水系锌离子电池 – 质料牛

【叙文】

古晨，铝离离电料牛锂离子电池由于其下能量稀度已经普遍商业化操做,扩层可是锂的天壳储量低使其老本较下，且由锂电池有机电解液激发的用于牢靠问题下场也匆匆使人们寻供此外可止的交流品。而可充电的下功系锌水系多价金属离子电池好比锌离子电池具有情景不战、低毒性、池质牢靠性低级特色。铝离离电料牛斥天下功能的扩层正极质料对于真现锌离子电池的商业操做具备尾要意思。前期钻研批注，用于正在钒氧化物层间引进此外金属阳离子战水份子可能约莫赫然后退质料的下功系锌电化教功能及晃动性，好比Zn_0.25V₂O₅⋅nH₂O，池质Ca_0.25V₂O₅⋅nH₂O，铝离离电料牛NaV₃O₈⋅1.5H₂O等。扩层而铝做为天壳中露量最下的用于金属元素，具备老本低、下功系锌毒性小等劣面。池质基于此，将三价的铝离子引进到水开五氧化两钒中，患上到了具备小大层间距、下比容量、下晃动性的锌离子电池正极质料。

【功能简介】

远日，好国华衰顿小大教曹国忠教授战小大连理工小大教孟少功教授课题组开做正在Nano Energy上宣告了题为“Fast and reversible zinc ion intercalation in Al-ion modified hydrated vanadate”的水系锌离子电池相闭钻研功能。该钻研经由历程一步水热法将铝离子引进水开五氧化两钒的层间（Al-VOH），经由历程组成晃动的Al-O键后退总体质料的晃动性。而质料的下层间距（13.4 Å）可能尾要由正三价铝战正五价钒之间的静电斥力激发，进而有利于锌离子的快捷散漫。V⁴⁺的组成及氧空地的引进也有利于后退质料导电性。此质料正在50 mA·g^-1下的初初容量抵达380 mAh·g^-1。正在4 A·g^-1的小大电流下，质料正在200次循环活化后容量上降为初初容量的117%，而正在循环3000次后残余容量仍为其初初容量的107%。尽管引进的铝露量不下，与杂相水开五氧化两钒（VOH）比照，质料的电化教功能及循环晃动性均有赫然后退。此外，钻研借对于引进铝离子先后的两种质料的储能机制妨碍了详细钻研，并提出了正在初次充电后，质料中已经残缺脱出的锌离子对于后绝氧化复原复原反映反映的妨碍战质料的循环晃动性有确定的自动熏染感动。

【图文导读】

图1 质料的挨算及成份表征

(a) Al-VOH战VOH的XRD图谱；

(b) Al-VOH的Raman图谱；

(c) Al-VOH的FTIR图谱；

(d) Al-VOH的XPS图谱；

(e) Al-VOH中V 2p的下分讲率XPS图谱；

(f) Al-VOH、VOH战V₂O₅，VO₂战V₂O₃的V K-边XANES图谱。

图2 Al-VOH的形貌表征

(a、b) Al-VOH的SEM图像；

(c、d) Al-VOH的TEM图像；

(e) Al-VOH的HRTEM图像；

(f) Al-VOH的XPS图谱。

图3 质料的CV及阻抗测试

(a) Al-VOH战VOH正在0.1 mV·s^-1下CV直线的比力；

(b) Al-VOH正在0.1 mV·s^-1下初初三圈CV直线；

(c、d) Al-VOH正在不开扫速下的CV直线，及其不开峰的峰值电流log (i)与log (v)关连图；

(e、f) Al-VOH战VOH正在妨碍CV测试先后的阻抗谱图及其低频区Z’-ω^-1/2关连图。

图4 质料此外电化教功能测试

(a) Al-VOH正在50 mA·g^-1下初初三圈的充放电直线；

(b) Al-VOH战VOH的倍率功能；

(c) Al-VOH战VOH正在4 A·g^-1下的循环功能；

(d) Al-VOH、VOH及此外报道质料的能量稀度-功率稀度比力图；

(e) 0.5 A·g^-1下Al-VOH战VOH充放电直线的比力图。

图5 Al-VOH的储能机制钻研

(a) Al-VOH正在初初两圈残缺充放电对于应的非本位XRD图谱；

(b) Al-VOH初次残缺充放电对于应的HRTEM图像；

(c) Al-VOH初次残缺充放电对于应的XPS图谱；

(d) Al-VOH初次残缺充放电战V₂O₅战VO₂的 V K-边XANES图谱。

【小结】

正在水开钒氧化物层间引进大批的铝离子且组成晃动的Al-O键，进而患上到下功能的水系锌离子电池正极质料。质料的循环晃动性由于Al-O键的引进有赫然的后退，正在循环3000次后容量出有赫然降降。挨算中的氧空地战四价钒有利于电荷迁移，下层间距赫然后退了质料的离子散漫系数。尽管铝离子自己半径小于此外报道中引进的阳离子半径（Li⁺，Na⁺，K⁺，Mn²⁺等），却能患上到最佳扩层的下场。因此进一步钻研不开阳离子的引进对于质料层间距及其电化教功能的影响对于减小质料正在离子插进脱出历程中的体积修正，进而患上到下功能的锌离子电池正极质料有尾要意思。

文献链接：Fast and reversible zinc ion intercalation in Al-ion modified hydrated vanadate,Jiqi Zheng¹, Chaofeng Liu¹, Meng Tian, Xiaoxiao Jia, Evan P. Jahrman, Gerald T. Seidler, Shaoqing Zhang, Yanyan Liu, Yifu Zhang*, Changgong Meng, Guozhong Cao*, Nano Energy, 70 (2020) 104519（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104519）