SmartMat|综述：更好的工程层状氧化钒水锌离子电池：超越扩大层间间距
学术
科技
2024-11-14 12:02
天津
Yue Guo, Hanmei Jiang, Binbin Liu, Xingyang Wang, Yifu Zhang, Jianguo Sun, John Wang. Better engineering layered vanadium oxides for aqueous zinc-ion batteries: Going beyond widening the interlayer spacing. SmartMat. 2024; 5:e1231.
https://doi.org/10.1002/smm2.1231
![]()
识别二维码或点击左下角“阅读原文”访问全文
由于其高安全性、低成本和环境友好性，水系锌离子电池（ZIBs）被认为是大规模电网储能最有前途的候选者之一。在过去的十年中，钒氧化物（以V2O5为代表）作为ZIBs正极材料得到了广泛的发展，其较高的理论容量和结构稳定性是主要考虑因素之一。然而，在构建高容量、长寿命和优异速率性能的钒基ZIBs方面存在相当大的挑战。尽管已经探索了各种金属离子（Na+，Ca2+和Al3+）甚至有机阳离子或基团，但通过预插层来简单地扩大层间间距在提高ZIBs的能量密度和其他关键性能参数方面似乎已经达到了极限。在此，本文讨论了高性能钒氧化物（V2O5基）阴极的最新进展和面临的挑战，其中有几种策略可以提高其电化学性能，从新的结构设计到亚纳米/分子/原子水平，包括阳离子预插层，结构水优化和缺陷工程，以及宏观结构修饰。研究了用于高能量密度和快速充电的水性ZIBs的V2O5基正极材料的优化结构设计的关键原则，旨在为开发用于大规模，高安全性和低成本系统的储能设计铺平道路。
图 1. (A)水性ZIBs正极材料的发展简史和主要路线图。(B) 从不同角度观察正交V2O5晶体的晶格结构。(C) 钒氧化物作为ZIBs阴极的主要问题概述。图 2. (A)钒氧化物的结构工程策略概述，以V2O5为例，从原子尺度到宏观水平，以及它们对结构和性能的影响。
图 3.(A)不同钒配位多面体。Copyright 2021, Royal Society of Chemistry. (B)最稳定的V2O5和VO2相的晶体结构和插入位点：α-V2O5， β-V2O5, VO2(R)和VO2(B)。V、O和M（M为Li、Na、Mg、Al）原子分别以青色、红色和绿色表示。Copyright 2017, Royal Society of Chemistry. (C) Ca0.23V2O5⋅0.95H2O中主要的Zn2+和次要的H+(脱)插层反应机理示意图。Copyright 2019, American Chemical Society.
图 4. (A)NVO、Mn1‐NVO和MnVO态密度。(B) Mn1‐NVO沿Zn2+‐迁移路径的能垒。(C)锌在充满电状态下的高分辨率XPS光谱。Copyright 2020, Wiley-VCH. (D)金属锌/KMgVOH水溶液ZIBs结构示意图。(E)低频区频率与实际电阻的对应关系。(F)不同扫描速率的CV曲线。Copyright 2021, Elsevier. (G)水热法、离子交换和静电相互作用制备铁离子和烷基铵阳离子共插层氧化钒（FeVO-X）的示意图。(H) FeVO和FeVO-12的接触角测试。Copyright 2022, Elsevier。图 5. 基于不同离子/分子预插层间距的比容量总结，数据采集于电流密度为100 mA/g时。
图 6.（A-C）原始VOG（黑线）、充电至1.3 V（蓝线）和放电至0.2 V（红线）后的VOG的MAS NMR谱。Copyright 2017, Wiley-VCH. (D)使用VOH阴极、明胶/Zn(CF3SO3)2水基凝胶电解质和Zn箔阳极的柔性准固态Zn-VOH电池化学原理图。(E)平板状态下的典型放电/充电曲线，以及90°和180°弯曲状态下的典型放电/充电曲线。Copyright 2019, Wiley-VCH. (F)在所选状态下的Ex-situ XRD图谱，(G)第一次循环时相应的放电/充电曲线。Copyright 2022, Wiley-VCH.(H) A-VOH样品的TG曲线。Copyright 2022,Wiley-VCH.
图 7. （A，B）p-VO的电荷分布和相应的结构。（C，D）Od-VO的电荷分布和相应的结构。（E）Zn/Od-VO电池的结构及其放电行为；缺氧位点（用红色球体表示）被纳入氧化钒骨架中。（F）p-VO和Od-VO电极的GITT曲线。Copyright 2019, Wiley-VCH.图 8. (A)以空心V2O5为正极材料的ZIBs结构。Copyright 2019, Elsevier. (B)在4.5 A/g下测量的V6O13@gCC和V6O13@bCC的恒流循环性能和相应的库仑效率。(C) V6O13@gCC阴极在4.5 A/g下的放电/充电曲线。Copyright 2020, Elsevier. (D)三维碳纳米管缝合Zn0.3V2O5⋅1.5H2O NSs@OCNT光纤制备工艺示意图。Copyright 2019, American Chemical Society.
3
作者简介
![]()
王家功（John Wang），新加坡国家工程院院士，新加坡国家科学院院士，亚太材料科学院院士，现为新加坡国立大学材料科学工程终身教授、博士生导师，新加坡国立大学重庆研究院院长。主要研究领域包括：生物材料、纳米复合材料、铁电薄膜和设备、可持续能源纳米材料等。在新型无机纳米材料、纳米复合材料和介孔材料的合成及其在储能和医药领域的应用研究方面取得了显著的成果。在国际权威顶级学术期刊上发表论文300余篇，是20余种国际学术期刊的审稿人，多次被邀请在重大国际会议与研讨会上作专题报告或特邀讲座。
点击“阅读原文”浏览在线文章
