彭尚龙教授研究组在水系锌离子电池领域取得重要研究

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随着可穿戴式电子设备、并网光伏/分布式电站等快速发展，人们对高效、稳定的电化学储能系统提出了更高的要求。其中，技术最为成熟的锂离子电池已经在移动通讯终端、电动汽车等领域得到了广泛的应用。然而，锂离子电池的高成本、低安全性以及制备和回收过程中的环境污染等问题限制了其进一步发展。因此，开发具有低成本和高安全性的二次电池技术一直受到世界各国的高度关注。可充电的水系锌离子电池具有高体积比容量、高安全性、易组装、低成本、环境友好和锌资源丰富等诸多优点，有望成为替代锂离子电池的一种先进的二次电池。
       水系锌离子电池由正极、负极和电解液组成，与锌负极搭配的正极材料对于器件的性能起着关键作用。目前研究较多的有锰基和钒基氧化物、普鲁士蓝及其类似物、有机电极材料，其中具有开放式骨架结构的钒基氧化物正极材料凭借着较低的成本和高的比容量受到了大家广泛关注。但是，目前钒基氧化物正极材料存在电导率差使得离子扩散动力学受限，以及脆弱的开放骨架结构引起循环过程中材料结构塌陷，从而导致容量的快速衰减等问题。层间修饰策略应用于传统层状电极材料，被证明可有效加强层状结构稳定性，并减小充放电过程中相转变引起的结构破坏，可提升电极材料的循环稳定性。而新型的插层赝电容材料具有快速储存离子的特性，因此拥有高的倍率性能。

图1 MnVOH和VOH电极材料结构示意图和性能对比图

       基于此，兰州大学物理科学与技术学院彭尚龙教授和黄娟娟副教授团队将层间修饰策略和赝电容行为结合起来应用于钒氧化物正极材料，获得了高倍率和长循环寿命水系锌离子电池。针对制备的具有较大层间距和大量氧缺陷的钒氧化物，通过层间引入Mn2+调控材料的层间微结构和电子结构，提高了钒氧化物的导电性和增强了结构稳定性，同时实现对锌离子迁移路径的调控和插层赝电容特性。将其用做水系锌离子正极展现出了高容量、高倍率和良好的循环稳定性。在电流密度为0.2 A/g时，电池可提供456 mAh/g的高比容量；在电流密度为40 A/g时，电池可提供173 mAh/g的高比容量，并且在10 A/g下的电流密度下，循环5000次仍能保持80％的比容量。该研究工作为水系锌离子电池的发展提供了新的思路。
       研究工作中通过实验数据分析，并结合DFT第一性原理计算，对Mn2+引入增强钒基氧化物正极材料电化学性能进行了深入分析。
       1．层间嵌入的Mn2+与[VO]层的氧形成配位键，加强了层间的相互作用使得层间距从14.3 Å减小至13.5 Å。同时，Mn2+通过静电相互作用提高了层间水的热力学稳定性，使得Mn2+作为“层间支柱”加强了整体结构稳定性。
       2. Mn2+改变了MnVOH电极中Zn2+的迁移路径，降低Zn2+的迁移势垒，提高锌离子的迁移速率。
       3. Mn2+调节了电极材料的电子结构并进一步提高了其电导率，这使得Zn(H2O)n2+的插入层间前的去溶剂化更容易。此外，我们通过分析DFT计算得到的Zn(H2O)n2+扩散能垒，证明了结合水可以促进Zn2+在层间的迁移。
        相关的研究工作发表在Advanced Science国际权威期刊上（Hangda Chen, Juanjuan Huang, Lei Song, Shuhao Tian, Tianfeng Qin, Yanpeng Liu, Yanan Zhang, Xiaogang Wu, Shulai Lei,* Shanglong Peng*, “Interlayer Modification of Pseudocapacitive Vanadium Oxide and Zn(H2O)n2+ Migration Regulation for Ultrahigh Rate and Durable Aqueous Batteries”, Advanced Science, 2021, 2004924.），陈航达硕士和黄娟娟副教授为本论文共同一作，彭尚龙教授为本文通讯作者。论文计算部分与低维光电材料与器件湖北省重点实验室类淑来副教授合作。文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202004924
       文章来源：兰州大学
       彭尚龙,兰州大学教授，博士研究生导师，中科院深圳先进技术研究院客座研究员，中国物理学会半导体物理专业委员会委员，中国化工学会化工新材料委员会委员，甘肃省机械工程学会热处理与表面工程分会理事，甘肃省陇原创新创业人才项目入选者，兰州大学五四青年奖章获得者。兼任Characterization and Application of Nanomaterials期刊编委，Advanced Energy Materials, Nano Energy, J. Mater. Chem. A等期刊的审稿人和仲裁人，以及国家自然科学基金项目和学位论文评审人。
        黄娟娟,兰州大学副教授。研究方向为新型纳米结构材料、磁性纳米复合材料，主要涉及纳米能源材料的设计、微观结构调控及其在电能存储、电催化等领域的应用，以及磁性纳米复合材料的研究。先后承担国家自然科学基项目、科技部国际合作项目、甘肃省自然科学基金等项目。