【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中科院合肥物質(zhì)院固體所趙邦傳研究員團隊在高性能水系鋅離子電池電極材料研究方面取得系列進展，通過磁場 -電化學(xué)缺陷工程協(xié)同作用獲得了一種超長壽命的 VS2基水系鋅離子電池，并探索了 VS2在柔性自愈合鋅離子電池中的應(yīng)用。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在 Materials Horizons 和 Small上。
水系電池因其低成本和高安全性在大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是鋰離子電池的有力補充。其中，水系鋅離子電池因鋅金屬高的理論比容量 (820 mAh g-1)和低的氧化還原電位 (-0.76 V vs. SHE)而備受關(guān)注。然而，通常鋅離子電池正極材料的電化學(xué)性能有限，負極鋅枝晶生長現(xiàn)象嚴重，使得鋅離子電池的能量密度偏低，循環(huán)壽命偏差。因此，設(shè)計制備高能量密度正極材料和抑制鋅枝晶的生長是開發(fā)高性能鋅離子電池的兩個關(guān)鍵因素。在此基礎(chǔ)上，進一步制備柔性電池可有效拓寬儲能器件的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。
鑒于此，研究人員采用一步水熱結(jié)合高充電截止電壓下原位電化學(xué)缺陷工程制備了一種具有手風(fēng)琴狀的VS2材料。該VS2材料晶格發(fā)生了有益的畸變，具有豐富的空位。材料獨特的結(jié)構(gòu)解鎖了Zn2+沿c軸方向的傳輸，實現(xiàn)Zn2+沿ab面和c軸方向的3D傳輸，并可有效減小鋅離子與VS2之間的靜電相互作用，材料的比容量和倍率性能較為優(yōu)異。同時，研究人員通過引入磁場的方法調(diào)節(jié)了電池中鋅離子的運動方式，抑制了鋅枝晶的生長，實現(xiàn)7400圈的超長循環(huán)壽命。
此外，團隊通過簡單的水熱方法在柔性碳泡沫(CF)基底上生長了VS2納米片陣列，制備了柔性VS2電極材料(VS2@CF)，探索了VS2在柔性鋅離子電池方面的應(yīng)用。得益于CF的高導(dǎo)電性和3D多孔骨架結(jié)構(gòu)，VS2@CF表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能(5 A g-1時172.8 mAh g-1)和循環(huán)穩(wěn)定性(1 A g-1下1000次循環(huán)后130.2 mAh g-1)。更重要的是，由VS2@CF正極、CF支撐的Zn負極和凝膠電解質(zhì)組裝的準固態(tài)電池VS2@CF//Zn@CF同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能( 0.2 A g-1時261.5 mAh g-1，5 A g-1時149.8 mAh g-1)和循環(huán)穩(wěn)定性(1 A g-1下100次循環(huán)后126.6 mAh g-1)。VS2@CF//Zn@CF全電池還表現(xiàn)出良好的柔韌性和自愈性能，在不同彎曲角度下都具有較高的比容量，被剪開能迅速自愈合，并且愈合后能正常充放電。
合肥物質(zhì)院固體所博士研究生毛云杰為論文第一作者，高能物理研究所散裂中子源科學(xué)中心司建國博士后對論文的部分結(jié)果進行了理論解釋。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、安徽省重點研發(fā)計劃、合肥大科學(xué)中心高端用戶和合肥物質(zhì)院院長基金等項目的支持。
圖 1. Zn-VS2 AZIB的結(jié)構(gòu)示意圖及電化學(xué)性能： (a) 結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 循環(huán)性能； (c) 富含空位 VS2與其它類似結(jié)構(gòu)正極材料的 Ragone圖； (d)由 Zn-VS2電池供電的 LED燈光學(xué)照片。
圖 2. ( a)不同彎曲角度下的 VS2@CF//Zn@CF光學(xué)照片。 VS2@CF//Zn@CF電池的( b)循環(huán)性能和( c)倍率性能；( d)不同彎曲角度下的 GCD曲線；( e)由 VS2@CF//Zn@CF準固態(tài)電池點亮的商用 LED燈條。
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