由于钙元素在地壳丰富的储量和金属钙低的氧化还原电位(-2.87 V vs. SHE)，钙离子电池（CIBs）被认为是大规模储能系统的潜在候选者，近年来受到越来越多的关注。然而，CIBs的发展仍处于初期阶段，缺乏高性能的正极材料是其发展面临的主要挑战之一。在已报道的正极材料中，层状钒氧化物展现出较高的钙离子存储容量。然而，由于钙离子大的半径和两个电荷的特点使大部分层状钒氧化物展现出较差的循环性能。因此，如何改善层状钒氧化物的循环性能对钙离子电池的发展具有重要意义。针对此问题，武汉理工大学麦立强教授课题组在《Adv. Funct. Mater.》期刊上发表题为“CaV6O16·2.8H2O with Ca2+ Pillar and Water Lubrication as a High-Rate and Long-Life Cathode Material for Ca-Ion Batteries”的文章。通过简单的水热法获得了具有钙离子支柱、水润滑和V5+的变针钒石层状钒氧化物（CaV6O16·2.8H2O, CVO），受益于CVO大的层间距、高的理论容量以及支柱和水润滑效应，CVO作为钙离子电池正极材料在50 ℃和室温下分别展现出175.2和131.7 mAh/g的放电比容量、1000次循环的长寿命和优异的倍率性能。与已报道的无极正极材料相比，具有长的循环寿命和高的容量保持率。通过原位XRD、原位FTIR以及非原位XPS和TEM技术全面揭示了CVO的钙离子存储机制为单相的嵌入脱出反应，密度泛函理论计算表明钙离子在CVO结构中倾向于沿b方向扩散。该工作为开发具有稳定循环性能和高容量的钙离子电池正极材料提供了新的方向，对钙离子电池的发展具有重要意义。图1 CaV6O16·2.8H2O的结构和表征（a）CVO的形成和晶体结构示意图；（b）XRD图谱和对应的Rietveld精修结果；（c）SEM图片；（d）HRTEM图片（插图为SAED图谱）；（e）HAADF图片和对应的元素图谱；V 2p（f）和Ca 2p（g）的XPS图谱及对应的拟合结果。图2 CaV6O16·2.8H2O的钙离子存储性能（a）CVO和CVO-340的恒电流充放电曲线和（b）对应的50 mA/g和50 ℃下的循环性能；（c）CVO和CVO-340在500 mA/g和50 ℃下的循环性能；（d）CVO在50 ℃下的倍率性能和（e）对应充放电曲线；（f）CVO在钙金属电池中室温条件下的恒电流充放电曲线；（g）和（h）CVO与已报道有机体系钙离子电池无机正极材料进行储钙性能对比。图3 CaV6O16·2.8H2O的反应动力学分析（a）CVO在不同扫速下的CV曲线；（b）在CV曲线中三个氧化还原峰的Log(i)相对log(v)的图；（c）计算的在1.0 mV/s扫速下电容对CVO电荷存储贡献的比例；（d）不同扫描速下扩散和电容贡献的百分比；（e）CVO随时间的GITT电势响应曲线，测试在30 mA/g恒流脉冲10 min，弛豫30 min条件下进行。（f）CVO电极的GITT曲线和扩散率相对放电状状态的图。图4 CaV6O16·2.8H2O钙离子存储机制的原位分析（a）原位XRD图谱和对应的充放电曲线；（b）原位FTIR图谱和对应的充放电曲线；（c）CVO的钙离子储存机制和层间距变化示意图。图5 CaV6O16·2.8H2O钙离子存储机制的非原位分析和理论计算（a）原位XRD图谱和对应的充放电曲线；（b）原位FTIR图谱和对应的充放电曲线；（c）完全放电态CVO的HAADF图片和对应的元素分布图；（d）CVO在初始状态和放电状态下的EDX能谱图；（e）Ca2+在CVO中沿b方向的扩散路径和（f）对应的扩散能垒图。CaV6O16·2.8H2O with Ca2+ pillar and water lubrication as a high-rate and long-life cathode material for Ca-ion batteries
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202113030
麦立强 教授，武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师，武汉理工大学材料科学与工程学院院长，英国皇家化学学会会士，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家。2004年在武汉理工大学获工学博士学位，随后在美国佐治亚理工学院（2006-2007）、哈佛大学（2008-2011）、加州大学伯克利分校（2017）从事博士后、高级研究学者研究。2014年获国家杰出青年科学基金资助，2016年入选教育部长江学者特聘教授和国家“万人计划”领军人才。主要研究方向为纳米储能材料与器件。构筑了国际上第一个单根纳米线固态储能器件，创建了原位表征材料电化学过程的普适新模型，率先实现了高性能纳米线电池及关键材料的规模化制备和应用。在Nature（1篇）、Nature、Science及Cell子刊（18篇）等期刊发表SCI论文400余篇；获授权国家发明专利100余项。在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做大会报告、主旨报告、特邀报告70余次。作为大会主席组织Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要国际会议10余次。主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。获国家自然科学奖二等奖（第一完成人）、何梁何利基金科学与技术创新奖（青年奖）、科睿唯安全球高被引科学家、教育部自然科学一等奖（第一完成人）、英国皇家化学会中国高被引作者、中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖（第一完成人）、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。现任国际期刊Journal of Energy Storage副主编，Advanced Materials、Chemical Reviews客座编辑，National Science Review学科编辑，Interdisciplinary Materials学术编辑，Accounts of Chemical Research、Joule、ACS Energy Letters、Advanced Electronic Materials、Small国际编委，Nano Research、Science China Materials、eScience和《功能材料》编委。安琴友 研究员，武汉理工大学研究员。目前研究方向为纳米储能材料与器件，围绕这个方向，重点开展了纳米电极材料可控生长、性能调控、器件组装、原位表征、电化学储能等系统性的基础研究工作，在锂离子电池、钠离子电池、镁离子电池等领域取得了一系列的创新性研究成果。申请人在储能材料与器件领域取得了一系列的创新性研究成果，在Adv. Mater.，Nano Lett.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Mater.，Mater. Today等期刊上发表SCI收录论文156篇，论文引用9500余次，11篇论文被选为ESI高被引论文。申请专利33项，已授权23项。获湖北省自然科学一等奖（第二完成人），入选湖北省”楚天学者”计划及武汉理工大学“青年拔尖人才”。J. Magnesium Alloys青年编委，美国化学会会员，Nat. Commun., Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Nano Energy等国际期刊的邀请审稿人。武汉理工大学纳米重点实验室主要从事纳米能源材料与器件领域的研究，包括新能源材料、新型催化材料、微纳器件等前沿方向。团队目前有教师11名，包括长江学者、杰青、国家领军人才、国家级高层次青年人才5人（次），在读博士、硕士研究生80余人。中科院院士赵东元教授作为课题组学术顾问，为课题组发展提供重要的指导和帮助。团队长期致力于储能技术领域研究，设计组装了国际上第一个单根纳米线器件，实现单纳米基元从0到1的突破，发现电子/离子双连续效应和分级协同效应。团队近年来主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。课题组目前发表SCI论文400余篇，以第一或通讯作者发表Nature 1篇，Nature子刊9篇，合作发表Science1篇、Nature、Science、Cell子刊7篇，以第一或通讯作者在影响因子10.0以上的期刊发表论文100余篇，ESI高被引论文55篇，ESI 0.1%热点论文13篇。获得国家发明授权专利140余项。获国家自然科学二等奖（2019）、教育部自然科学一等奖（2018年）和湖北省自然科学一等奖（2014年和2021年）。团队负责人麦立强教授获何梁何利基金科学与技术青年创新奖（2020）和国际电化学能源大会卓越研究奖（2018，每年仅2人）等，获国家杰青资助（2014年），入选教育部“长江学者”奖励计划（2016年），英国皇家化学会会士（2018）和科睿唯安全球高被引科学家（2019、2020、2021）；任国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”首席科学家、国家重点研发计划纳米科技专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴；在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做特邀报告70余次；作为会议主席举办Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要学术会议。团队培养的50余名学生被推荐到哈佛大学、麻省理工大学、牛津大学、加州大学洛杉矶分校、西北太平洋国家实验室、阿贡国家实验室、清华大学、北京大学、中国科学院等著名高校或科研机构进行深造。10余名学生已在国内外知名高校和科研单位如英国国家物理实验室、萨里大学、滑铁卢大学、厦门大学等任职，担任教授或助理教授。该团队已发展成为国内外纳米科学技术和新能源材料技术领域具有重要影响的科学研究、国际合作及人才培养中心。http://mai.group.whut.edu.cn/chs/
原创声明 本文为【新威智能】特邀撰稿的原创文章，如需转载可在【新威】公众号留言申请开白。