【儀表網 研發快訊】近日，東北大學理學院化學系宋禹課題組在水系鋅離子電池領域研究成果“Iodine-Mediated Defect Engineering of Vanadyl Phosphate Cathodes for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”發表于材料科學領域頂級期刊Advanced Functional Materials。論文第一作者為理學院2023級碩士研究生林雨來，理學院化學系宋禹副教授為本文通訊作者，東北大學為唯一完成單位。
可充電水系鋅離子電池(AZIBs)安全性高，成本低，循環壽命長，在大規模智能電網儲能應用中極具潛力。在鋅離子電池眾多正極材料中，磷酸氧釩(VOPO4)放電電壓高，有望提供更大的能量密度。然而，VOPO4的電導率相對較低，且Zn2+與宿主材料之間存在較強的靜電相互作用，使得VOPO4在充放電過程中反應動力學緩慢，限制了其在AZIBs中的實際應用。在VOPO4電極材料中實現高效電子轉移和離子擴散是科學界面臨的巨大挑戰。
鑒于此，宋禹課題組提出了一種全新的“碘介導刻蝕法”用于調控VOPO4納米片內部的離子/電子傳遞。該方法通過碘單質與材料中結構水的歧化反應，在納米片結構中引入了晶體缺陷。此外，碘歧化的產物被巧妙地二次利用，作為還原劑在[VO6]單元中引入了氧空位。在此基礎上，通過簡單地調控刻蝕時間，制備了具有不同缺陷密度的VOP-I4和VOP-I8電極。其中，VOP-I4在0.2 A g-1電流密度下實現了249 mAh g-1的高質量比容量和300 Wh kg-1的高能量密度。這些性能優于眾多已報道的VOPO4電極材料。
實驗結果與理論計算表明，適量的晶體缺陷可以作為容納Zn2+/H+離子的活性位點，促進離子遷移，提供更高的容量；而引入氧空位可以調節材料的電子結構，提高其電導率，進而提高磷酸氧釩的電化學性能。然而，過量的缺陷會導致結構非晶化及粉化，阻礙了離子在材料內的遷移。因此，具有適量缺陷的VOP-I4兼具良好的電子轉移能力和快速的離子遷移能力，表現出優越的電化學性能。
此項科研成果為制備高性能磷酸氧釩電極材料提供了新方法，所提出的“碘介導蝕刻方法”可進一步應用于制備其他金屬氧化物和聚陰離子化合物，為發展高性能電化學儲能器件(如鋰離子電池、超級電容器、水系電池等)提供新思路。我校分析測試中心為本工作材料結構解析提供重要支撐。
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