『AFM』华科大王康丽&周敏团队:TiS2-TiO2异质结构引发的脱溶效应实现超高倍率水系锌离子电池

学术   2024-10-31 09:04   湖北  

全文摘要

水系锌离子电池(AZIB)因其高安全性和成本效益而成为下一代储能和转换系统的有前途的候选者。然而,界面脱溶剂化过程产生的缓慢动力学对实现AZIB的高功率密度和长循环寿命构成了挑战。在这里,华中科技大学王康丽教授&周敏副教授团队首次发现异质结构利用内置电场力来促进电极-电解质界面的脱溶剂化过程。密度泛函理论(DFT)计算和结构表征表明,非均相结构同时加速脱溶剂化过程并增强离子扩散,使得TiS2-TiO2异质结构具有出色的速率性能(5 A g-1时160.9 mA h g-1),远超传统TiS2电极容量保持率为14.2%。同时,脱溶剂电荷载流子的插入/提取减少了TiS2-TiO2的体积变化,可实现持久的循环稳定性(在0.5 A g-1下循环2000次后108.6 mA h g-1)。本研究为构建快速充电电化学储能系统提供了指导性的电极设计策略。

图文速递







图1

a-c)TSO-2异质结构样品和d,e)TS样品不同放大倍率下的HRTEM。f)TS样本的相应傅里叶变换模式。g)TS和TSO的XRD图谱。h)TS和TSO的拉曼光谱。i)TS和TSO的TG曲线。







图2

a)TiO2、TiS2接触形成异质结构前后的计算功函数。b)TiS2-TiO2异质结构的电荷密度差。c)[Zn(H2O)5]2+(CF3SO3)-溶剂化结构在不同晶体结构上的脱溶过程能垒(Ed)。在充/放电过程的CV扫描过程中,d)TSO-2电极和e)TS电极的每个摩尔电子的质量总变化。f)快速充电过程中TiS2-TiO2和TiS2阳极的演化过程示意图。







图3

a)TSO-2电极在0.2 mV s-1时的CV曲线。b)TSO-2电极在0.1 A g-1时的GCD曲线。c)TS和TSO电极的倍率性能。d)TSO-2电极与最近报道的“摇椅”型锌离子电池阳极的倍率能力比较。e)TS和TSO电极的奈奎斯特图。f)TSO-2电极在0.025 A g-1下的充放电GITT曲线。g)TSO-2电极在0.2至1.0 mV s-1不同扫描速率下的CV曲线。h)峰值电流和扫描速率之间的关系。i)TSO-2电极在不同扫描速率下的伪电容贡献。







图4

a)TS和TSO电极在0.1 A g-1下的循环性能。b)TS和TSO电极在0.5 A g-1下的长循环性能。初始循环中c,d)TS电极和e,f)TSO-2电极的异位XRD。g)TS和TSO-2电极的层间距d(001)。h-k)TSO-2电极和l-o)TS电极在0.1 V放电后在初始循环中以1.0 V充电的离位HRTEM图像。







图5

a)TSO-2||K2Mn[Fe(CN)6]全电池示意图。b)0.1 A g-1时TSO-2阳极和K2Mn[Fe(CN)6]阴极的恒电流充放电曲线。c)K2Mn[Fe(CN)6]阴极在0.1 A g-1下的循环性能。d)TSO-2||K2Mn[Fe(CN)6]电池在0.1 A g-1条件下的充放电曲线和e)循环性能。f)1.0 A g-1条件下TSO-2||K2Mn[Fe(CN)6]电池的充放电曲线和g)循环性能。


研究结论

总之,本文已经成功地设计了TiS2-TiO2异质结。界面内的BIEF促进了界面中水合锌离子的脱溶剂化过程,并促进了离子在本体中的扩散,增强了电化学反应的动力学。此外,无水锌离子的插入有助于减轻重复循环时的体积膨胀/收缩。这样的TiS2-TiO2电极在0.1 A g-1时提供187.7 mAh g-1的高可逆容量,以及2000次循环的超长循环稳定性。在5 A g-1条件下,可获得160.9 mA h g-1的高倍率容量,容量保留率为85.5%。本工作强调了原子结构控制和功能之间关系的重要性,为开发快速充电储能系统提供了指导。

文献信息

Desolvation Effect Triggered by TiS2-TiO2 Heterostructure for Ultrahigh-Rate Aqueous Zinc-Ion Batteries

Manlin Chen,Min Zhou*,Qingyuan Wang,Cheng Xu,Sheng Wang,Jing Ning,Tianqi Wang,Kangli Wang*,Kai Jiang
https://doi.org/10.1002/adfm.202414032



水系能源
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