吴忠帅课题组制备出强耦合效应二维异质结材料应用于长寿命锌离子电池

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近日，我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508组）吴忠帅研究员团队设计并制备出具有强耦合效应层状无定形V2O5/石墨烯异质结新材料，实现了对钒基正极材料的有效保护，极大缓解了钒溶解问题，获得了高安全、低成本、长寿命水系锌离子电池。
　　近年来，水系二次锌离子电池凭借其安全性能高、成本低、环境友好和锌储量丰富等优势，在储能设备中展现出巨大的应用前景。钒基材料是一种典型的高容量锌离子电池正极材料，但存在溶解、体积膨胀、电子导电性差等问题，导致器件循环性能差。因此，亟待开发长寿命、高容量、高导电的钒基正极材料。

　　为解决这一难题，该团队采用二维模板离子吸附策略，将无定形V2O5均匀自组装在高导电的石墨烯表面，成功获得了一种层状V2O5/石墨烯二维异质结新材料。该材料充分结合了无定形V2O5本征缺陷丰富、离子扩散路径短和石墨烯导电性高、机械稳定性良好的优点以及层状结构的保护作用，缓解了钒溶解问题，实现了高效离子-电子协同传输，该团队利用该材料构建出了超长寿命、高安全的水系锌离子电池。基于无定形V2O5和石墨烯的强协同作用，该电池在0.3 A/g下表现出447 mAh/g的高容量，同时在30 A/g的大电流密度下，循环20000圈，依然保持83.9%的初始容量。同时，该团队采用准原位XPS测试证明了Zn2+的可逆嵌入脱出。此外，该团队以该异质结为正极、锌为负极构建了平面化微型锌离子电池，器件获得了49 mWh/cm3的高体积能量密度、长寿命以及良好的集成特性，证明了其作为安全性能高、成本低的可穿戴储能器件的潜力。该工作为发展高效电子-离子协同增强的二维异质结材料提供了新策略，为构建水系高效微型电化学能源器件提供了新思路。
　　相关研究成果发表在《能源存储材料》（Energy Storage Materials）上。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。（文/图 王潇）


      文章来源：大连化物所
      吴忠帅，男，汉族，1981年生于大连庄河。中共党员，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员。2004年和2007年在辽宁大学化学院分获理学学士和硕士学位；2011年在中科院金属研究所获工学博士学位，师从成会明院士和任文才研究员；2011年7月至2015年6月在德国马普高分子研究所从事博士后研究工作，合作导师著名化学家Klaus Müllen教授和冯新亮教授。2015年6月至今，中科院大连化学物理研究所工作，被聘为研究员、 “二维材料与能源器件（DNL21T3）”研究组组长。