东北师范大学刘益春院士&邵长路教授&李兴华教授团队:用于近无障碍超快速充电水系锌离子电池的非晶有机杂化氧化钒

科技   2025-01-02 20:08   江苏  



全文摘要

快速充电的金属离子电池对于推进能源存储技术至关重要,但其性能常常受到固体中离子扩散所需高活化能(Ea)的限制。对于像Zn2+这样的多价离子来说,解决这一挑战尤其困难。在这里,东北师范大学刘益春院士&邵长路教授&李兴华教授团队介绍了一种非晶态有机-混合钒氧化物(AOH-VO),其特征是一维链排列成无序结构,并具有原子/分子级孔隙,以促进分层离子扩散路径并减少Zn2+与固体骨架的相互作用。AOH-VO正极展示了异常低的Zn2+在固体中的扩散活化能为7.8 kJ·mol-1,以及在正极-电解质界面的扩散活化能为6.3 kJ·mol-1,这两者都显著低于锌离子电池中电解质(13.2 kJ·mol-1)的活化能。这使得超快充放电性能成为可能,一个Ah级别的软包电池在仅仅9.5分钟内就能达到其81.3%的容量,并且在5000次循环后仍保持90.7%的容量。这些发现为实现稳定、超快充电电池技术提供了充满希望的途径,其离子动力学接近无障碍。



图文速递








图1:从VEG到AOH-VO的转变

a 有机-混合VO5链在VEG中的一维模型。b VEG的XRD图谱和三维模型。c AOH-VO合成策略的示意图。d AOH-VO的XRD图谱,参考VEG的布拉格峰(黑色)。e AOH-VO(蓝色)和VEG(橙色)的FT-IR光谱。注意e中的箭头指示了AOH-VO的V-O和V-O-V键的显著红移。f AOH-VO(蓝色)和VEG(橙色)在空气氛围中以5℃/min加热速率测量的TG和g DTA曲线。ΔG1和ΔG3来自吸附水的去除;ΔG2和ΔG4来自螯合配体(EG-CL)的去除。h V K边XANES光谱,i EXAFS光谱和j VEG、AOH-VO、AOH-VO-300和标准V2O5的小波变换(WT)等高线图。








图2:直接观察AOH-VO的微观结构

TEM 图像。b HRTEM和SAED图像。c HAADF-STEM模式下C、O和V的元素映射。d原子分辨率HAADF-STEM图像,e 红色矩形区域的相应过滤图像。








图3:AOH-VO电极在充电/放电过程中的电化学动力学

a 0.1~1 mV s-1下的循环伏安图(CV)曲线。b 电容容量和扩散极限容量与扫描速率的贡献比。c 1 mV s-1时的CV曲线说明了电容贡献(蓝色区域)比率。d 测定0.1~1 mV s-1下的b值。e 0.1~1000 mV s-1下的b值,以及标准化容量与v-1/2.f log(v)与氧化还原峰潜在偏移的曲线。








图4:AZIB中AOH-VO的近无障碍Zn2+动力学

Zn2+在电解质、界面和固体中扩散的活化能示意图。b Zn2+在AOH-VO、AOH-VO-300和VEG的电解质和固体中的扩散系数。c AOH-VO连续四次循环中Zn2+扩散动力学的温度依赖性。d 充放电过程中Zn2+在AOH-VO中扩散活化能的演变。误差条表示四个周期实验的标准差。e AOH-VO、AOH-VO-300和VEG在20℃开路电位下的DRT图。f 可逆Zn2+插入/萃取过程中AOH-VO的DRT图。








图5:AOH-VO阴极组装纽扣电池和Ah级快速充电双层软包电池的电化学性能

a 基于AOH-VO正极材料质量(活性材料负载质量:1.5 mg cm-2,电解液量:100 μL)的纽扣电池在不同比电流下的速率性能;b 在100 A g-1的高比电流下具有长周期稳定性性能。c 在0.1 A g-1慢充和2 A g-1快充条件下,基于AOH-VO正极材料质量(活性材料负载质量:37 mg cm-2,电解质量:12 mL)的ah级容量。d Ah级软包电池在快速和慢速充放电期间的典型充电时间。e 2.5 Ah 软包电池在 0.1 A g-1的选定循环下的恒电流充放电曲线。f 软包电池在0.1~2 A g-1的长循环过程中的容量和库仑效率。插图显示了软包电池照片和代表性电压曲线。



研究结论

总之,本文报道了一种无定形有机杂化氧化钒(AOH-VO),具有丰富的原子/分子级孔隙,通过随机组装具有弱相互作用的1D-D-VO5链形成,可以将活性位点充分暴露在电解质中。最重要的是,它还可以显著降低Zn2+从电解质向固体扩散的Ea,界面过程的Ea约为6.3 kJ mol-1,固体内部迁移过程的Ea约为7.8 kJ mol-1。这些值明显小于电解液中的Ea(13.2 kJ mol-1),表明Zn2+具有接近无障碍的动力学特性,可以实现超快充放电过程。此外,Zn2+与骨架之间的相互作用减弱,增强了稳定性,在100 A g-1下表现出超过17,000次循环。组装后的袋状电池在2 A g-1条件下的容量为2.04 Ah(约为0.1 A g-1条件下容量的81.3%),充电时间仅为9.5 min,可稳定持续超过5000次循环。这些结果强调了AOH-VO作为稳定、安全和超快充电AZIB的潜力。我们的研究为促进超快充电金属离子电池的离子动力学提供了创新的见解,为开发具有高容量和超快动力学的电池材料开辟了有希望的途径。



原文链接

Amorphous organic-hybrid vanadium oxide for near-barrier-free ultrafast-charging aqueous zinc-ion battery

Mingzhuang Liu,  Xinghua Li*,  Mengxia Cui,  Feiyu Chen,  Jiaxing Li,  Weijian Shi,  Yu Liu,  Xiaowei Li,   Yan Wang,  Wei Zhang,  Changlu Shao* & Yichun Liu*

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55000-8


文章来源:水系能源

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