张其冲等在柔性高比能水系锌离子电池方面取得系列进展

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随着可穿戴和便携式电子产品的兴起，促使电池向着高能量密度、长寿命和柔性方向发展。水系锌离子电池凭借安全性高、环境友好和水体系电导率高等优点，被认为是下一代储能电池的理想候选者。其中，柔性自支撑电极是实现可穿戴储能器件的核心部分，它能够避免粘结剂的使用，提高活性材料与电解液的接触面积和电极整体的导电性。在众多正极材料中，钒基材料，尤其是钒氧化物，具有可调节的层间距，可容纳大量的锌离子进行能量存储而被广泛应用于水系锌离子电池。然而，钒氧化物有限的层间距限制了锌离子嵌入/脱出、并在此过程中对其结构造成破坏以及在水体系中的部分溶解等因素阻碍了层状钒基材料的发展。
　　研究者利用钠离子与聚苯胺共嵌入策略，制备了扩大层间距的钒酸铵阴极材料(NaNVO-PANI)，实现了高离子传导和储存的柔性锌离子电池。钠离子与带负电的VOx层板间的静电作用稳定了层结构；聚苯胺将材料的层间距扩大到了13.8 ？，这为锌离子的嵌入/脱出提供了便利的通道。同时聚苯胺分子增加了活性材料的疏水性，从而抑制了NaNVO-PANI在水系电解液中的溶解。NaNVO-PANI作为柔性水系锌离子电池正极材料时，器件在0.5 A g-1电流密度下的质量比容量为454.6 mAh g-1。即使在5 A g-1的高电流密度下也具有228.27 mAh g-1的质量比容量。该成果以 Sodium-Ion and Polyaniline Co-Intercalation into Ammonium Vanadate Nanoarrays Induced Enlarged Interlayer Spacing as High-Capacity and Stable Cathodes for Flexible Aqueous Zinc-Ion Batteries为题发表在国际知名期刊 Advanced Functional Materials上。论文第一作者为新疆大学和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所联合培养硕士研究生赵松，通讯作者为东南大学李雷博士、新疆大学吴冬玲教授和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王永疆和张其冲项目研究员。

　　图1. NaNVO-PANI的合成与性能测试

　　锌离子与钒氧化合物晶体结构之间的强静电相互作用以及单一阳离子氧化还原中心是开发高比能水系锌离子电池的绊脚石。东南大学尹奎波和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲等通过原位阳极氧化策略开发了具有丰富缺陷和辅助阴离子氧化还原中心的自支撑无定形氧硫化钒（AVSO）正极。合成的无定形AVSO正极展示出Zn2+各向同性路径和快速的反应动力学，具有538.7 mAh g-1的高可逆容量和高倍率能力(在40 A g-1下237.8 mAh g-1)。实验结果和理论模拟表明，钒阳离子是主要的氧化还原中心，而AVSO正极中的硫阴离子是新增的氧化还原中心来补偿活性位点的局部电子转移。具有硫化学的无定形结构可以承受Zn2+/H+插入时的体积变化，并削弱Zn2+与主体材料之间的静电相互作用。因此，AVSO复合材料显示出减弱的结构退化和长期可循环性(在40 A g-1下20000次循环后保持89.8%)。这项工作可以扩展到多种氧化还原反应的自支撑非晶正极材料，加快了设计超快和长寿命可穿戴水系锌离子电池的发展。该成果以Achieving Synergetic Anion-Cation Redox Chemistry in Freestanding Amorphous Vanadium Oxysulfide Cathodes towards Ultrafast and Stable Aqueous Zinc-Ion Batteries为题发表在国际知名期刊 Advanced Functional Materials上。论文第一作者为东南大学博士研究生潘瑞，通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲项目研究员和东南大学尹奎波副教授。
　　鉴于柔性准固态锌离子电池是水系电池中发展最快的热点之一，总结该领域的最新发展可以为柔性准固态锌离子电池的设计具有重要的指导作用。本综述从机理、设计原则、应用等方面系统介绍了柔性准固态锌离子电池的合理设计策略和研究进展。首先，详细阐述了柔性准固态锌离子电池的储能和柔性机制。随后，系统地阐述了柔性准固态锌离子电池的柔性设计原则和功能化策略。进一步介绍了柔性准固态锌离子电池在可穿戴电子产品中的最新进展和实际应用。最后，对柔性准固态锌离子电池的一些应用和研究前景进行了论证，为其实际应用的开发提供了指导。相关成果以Flexible Quasi-Solid-State Aqueous Zinc-Ion Batteries: Design Principles, Functionalization Strategies, and Applications为题发表在国际知名期刊 Advanced Energy Materials上。论文第一作者为南京大学博士研究生王文惠，通讯作者为安阳师范学院李朝威博士、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲项目研究员以及南京大学姚亚刚教授。
        文章来源：苏州纳米所
         张其冲，博士，现任中国科学院科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。2017年于同济大学获得物理学博士学位，主要从事水系电化学纳米材料的合成和纤维状功能器件的研制， 2018年至2021年在新加坡南洋理工大学担任研究员，2021年入选中国科学院“百人计划”并任职中国科学院科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员。长期致力于纤维状水系储能器件的开发工作，系统研究了高性能纳米材料在高曲率纤维表面的原位组装，通过调控纳米材料的微观结构、缺陷、构筑异质结构、改善电极/电解液界面反应动力学条件和构建新型器件结构，发展出了一系列高能量密度、高稳定性的纤维状水系储能器件，并在Advanced Materials, Nature Communications, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, ACS Energy Letters, Nano Energy, Advanced Science, Energy Storage Materials等学术期刊发表论文80余篇，H因子33，ESI高被引论文9篇，论文引用3100余次, 编写1部英文专著。