鲁雄刚教授解析正极材料层间结构与电荷存储能力间构效关系

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实现可再生清洁能源的高效利用是改善全球能源供应模式、落实我国“双碳”战略的重要举措，发展低成本、高安全的大规模储能技术已成为电化学能源领域的重要方向。近年来，基于水系电解质的锌基可充电电池，因其原料成本低廉，安全性高，加工工艺简单等优势备受关注。其中，层状正极材料中的结构水分子对于水系锌离子电池中的电荷存储行为有着至关重要的影响，但层间结构水含量的变化如何改变电极材料的层/电子结构以及如何影响其电化学性能都尚不明确。解耦电极材料结构-性能构效关系是电化学储能领域的关键科学问题。
        近期，上海大学材料学院鲁雄刚教授领导的“绿色冶金与先进制造”团队，关于解析正极材料层间结构与电荷存储能力间构效关系的最新研究成果以“Uncovering the fundamental role of interlayer water in charge storage for bilayered V2O5‧nH2O xerogel cathode materials”为题，于2022年11月30日在国际能源材料顶级期刊《Advanced Energy Materials》上发表，该期刊2022年影响因子为29.698。材料学院博士后孙强超为第一作者，上海大学为第一署名单位，上海大学程红伟教授、鲁雄刚教授和浙江大学陆俊教授为共同通讯作者。该项研究也得到了国家自然科学基金（51874196、U1860203）、上海市浦江人才计划（2019PJD015）的资助。

图水合五氧化二钒正极材料中结构水含量和储锌性能、电荷传输动力学以及结构演变规律

       该团队以典型层状水合五氧化二钒（V2O5·nH2O）为对象，结合系统的电化学测试和材料物化性质表征以及原子尺度的第一性原理计算，精确地建立了预插层结构水含量与材料晶体结构、电化学性能以及结构可逆性之间的量化关系，详细地阐述了结构水分子在助力去溶剂化过程，改善电荷扩散环境的关键作用（图）。研究表明，过多或过少的层间结构水含量都会对电化学性能产生负面影响，调节后的层间结构水含量能有效改善材料层间的电荷分布，削弱V-O骨架和插层电荷之间的静电相互作用，有效抑制活性物质的溶解，从而增强循环过程中结构演变的可逆性和稳定性。该工作为依托预插层策略，量化嵌入量，实现层间晶体结构的精确调控，构筑高性能水系Zn2+及其它多价离子电池正极材料开辟了新思路。
        论文下载链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202202515.
         文章来源：上海大学
         鲁雄刚，上海大学教授。主要从事可控氧流基础理论、绿色冶金新工艺及技术、电化学冶金以及冶金资源综合利用等方面。承担了国家973项目、863项目、国家“杰出青年”科学基金、国家“优秀青年”科学基金、国家自然科学基金重点项目、面上项目、省部级科委重点基础项目等50余项。已由高等教育出版社出版专著一部，申报国家发明专利70余项（授权38项），在国内外重要刊物上发表论文400余篇，论文被SCI、EI收录超550篇次，SCI引用近4000次；曾获国家部委和地方科技进步奖6项，培养博士及硕士50余名。