刘宏教授团队Advanced Science：高性能水系锌电池方面取得新进展

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山东大学晶体材料国家重点实验室王书华教授和刘宏教授以及中国科学院化学研究所郭玉国研究员提出了一种钠离子和锰离子共同预嵌入的(Na,Mn)V8O20·nH2O正极材料，并用于水系锌离子电池。该工作通过实验及理论计算分析了预嵌入的钠离子和锰离子对材料性能的影响，发现钠离子有助于提高锌离子扩散，而层间的锰离子有利于材料导电性的提高。过渡金属离子和碱金属离子间的协同作用是提高(Na,Mn)V8O20·nH2O材料循环稳定性的关键，为设计高性能锌离子电池正极材料提供了一个指导方向。此外，作者提出的钠锰共掺杂调控材料性能的方法，可以扩展到其他不同碱金属和过渡金属离子间的组合，并制备了一系列性能优异的双离子共掺杂正极材料。相关成果以“Tunable Layered (Na,Mn)V8O20·nH2O Cathode Material for High-Performance Aqueous Zinc Ion Batteries”为题发表在Advanced Science上，山东大学硕博连读博士生杜敏为本文第一作者，晶体材料国家重点实验室的王书华教授和刘宏教授以及中科院化学所的郭玉国研究员为共同通讯作者。

       该研究对(Na,Mn)V8O20·nH2O, (Na,Fe)V8O20·nH2O, (Na,Co)V8O20·nH2O, (Na,Ni)V8O20·nH2O, (Na,Ca)V8O20·nH2O, (Na,K)V8O20·nH2O正极材料进行性能表征，证明了过渡金属在提高NaV8O20·nH2O性能方面的独特优势。通过Mott-Schottky曲线，发现预嵌入层间的过渡金属离子可以促使电极材料具有更高的载流子浓度。同时，理论计算结果表明锰离子使(Na,Mn)V8O20·nH2O电极材料在费米能级附近的电子态密度有所增加，较高的电导率促进了材料的电化学性能。此外，相比锰离子，预嵌入层间的钠离子可以显著降低锌离子扩散势垒。随着(Na,Mn)V8O20·nH2O中锰离子含量的增加，正极材料的长循环稳定性得到进一步提高，并且电极材料在电解液中的溶解得到抑制。这种碱金属和过渡金属共掺杂的策略可以用来调控钒氧化物的电化学性能，而且制备的系列共掺杂材料扩大了储能器件的正极材料选择范围。
相关研究工作得到了国家自然基金、山东省自然科学基金、晶体材料国家重点实验室的支持。
       链接：https://doi.org/10.1002/advs.202000083
       文章来源：山东大学
      王书华，女，1987年8月出生，山东大学教授，博士生导师，齐鲁青年学者。2016年于北京纳米能源与系统研究所获得工学博士学位。曾在中科院化学所分子纳米结构与纳米技术重点实验室从事博士后研究工作，2016年入选首届博士后创新人才支持计划，承担过博士后科学基金面上资助。目前正在主持山东大学齐鲁青年学者人才项目。主要研究方向：可充电二次电池、基于生物效应的微纳能源收集与纳米发电机。
      刘宏，男，1964年1月生，博士，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国晶体学会理事，中国硅酸盐学会晶体生长分会副秘书长，中国光学学会材料专业委员会会员理事，山东省硅酸盐学会副秘书长，中国硅酸盐学会会员，美国化学会会员。