Fundamental Research | 孙洁研究员："Cr3+预嵌入提高水系锌离子电池钒基正极材料电化学性能"

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Fundamental Research 2021年第1卷第4期封面

Cr³⁺预嵌入提高水系锌离子电池钒基正极材料电化学性能

目前全球面临严重的能源危机，锂离子电池作为二次储能电池体系，被广泛应用于便携3C电子产品、新能源动力汽车以及储能设备等领域。但是由于其使用易燃易爆的有机电解液体系，存在严重的安全隐患；且锂储量不足、价格昂贵，造成锂离子电池的成本较高。因此作为锂离子电池的一种替代产品，水系锌离子电池体系应运而生。相比于锂离子电池，锌离子电池有以下优势：采用水系电解液，避免了有机电解液引起的安全隐患，且水系电解液离子电导率（~1 S cm^-1）相较有机电解液电导率高两个数量级；采用金属锌负极，理论体积比容量高达5822 mAh cm^-3，具有高导电性，平衡电位低（-0.763 V vs. SHE），析氢电位高；从经济角度，锌储量丰富、具有明显的价格优势，且对环境友好。综上所述，水系锌离子电池具有安全性高、成本低廉、环境友好等优点引起了研究人员的广泛关注。由于锌离子具有高价电荷，与电极材料之间的静电相互作用较强，造成锌离子在正极材料中扩散动力学缓慢，不利于其可逆脱嵌，且溶剂化的锌离子半径较大，需要主体材料有更大的空间存储锌离子，因此目前锌离子电池普遍存在的电池容量低，电压低的问题。目前大量的研究集中于开发电化学性能优异、结构稳定的正极材料。钒氧化物是一类重要的锌离子电池正极材料，其具有较大的层间距有利于锌离子的可逆脱嵌，且储量丰富，价格低廉，其中的金属钒具有多种化学价态有利于电子传递，但材料本身电导率不高，且在循环过程中存在有材料的溶出以及副产物的产生，循环性能不佳。金属离子预嵌入是对其改性的关键策略之一，文献多采用碱金属或碱土金属离子作为嵌入离子，起到稳定电极结构，增大材料的层间距的作用，以提高其电化学性能。近期，孙洁教授课题组在国家自然科学基金委员会主办的Fundamental Research期刊上发表的一篇论文中，通过简单的一步水热法，将Cr³⁺预嵌入水合钒氧化物中，制备了Cr-VOH正极材料，具有良好的电化学性能。Cr³⁺具有独特的3d³电子构型，可以促进电子离域，且不存在Jahn-Teller效应，因此本研究通过Cr³⁺预嵌入调节电子结构来提高材料的电导率。此外，预嵌入后位于层间的Cr³⁺与钒氧化物层板中带负电荷的[VO₆]基团之间形成的Cr-O键有利于保持其正极结构的稳定性。最后本研究通过ex-situ XRD，HRTEM，XPS等方法表征了Cr-VOH正极材料的储锌机理，证实了锌离子在其中的可逆脱嵌（图1）。综上所述，本研究将Cr³⁺嵌入水合钒氧化物的层间作为“柱撑”离子，制备了Cr-VOH正极材料，该正极材料在循环过程中减少了“死锌”的产生，有利于提高其电化学可逆性及离子迁移动力学。本研究也为水系锌离子电池钒氧化物正极的改性提供了新的解决思路。

图1 Cr-VOH正极的储锌机理图

以上内容节选自期刊Fundamental Research 2021年第4期发表的文章 “Y. Zhang, L. Zhao, A. Chen, et al., Cr³⁺ pre-intercalated hydrated vanadium oxide as an excellent performance cathode for aqueous zinc-ion batteries, Fundamental Research 1(4)(2021)418-424”。

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作者简介

孙 洁  天津大学化工学院，教授，博士生导师。ACS Sustain. Chem. Eng., Trans. Tianjin Univ.,《中国科技论文》编委。主要从事锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锂硫电池、电催化方向的研究。以通讯作者和第一作者身份在Nat. Nanotechnol., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Lett., Energy Storage Mater., ACS Nano, Green Chem.等期刊上发表论文40余篇。已获得授权美国专利2项、中国发明专利5项，申请中国发明专利5项。主持省、部级科研项目和企业横向项目共11项。

陈爱兵  河北科技大学，教授，博士生导师。研究方向主要为材料物理化学新领域，聚焦能源转化与存储中的问题，围绕发展多孔材料结构合成新方法和新策略，丰富定向设计和可控制备理论，系统研究多孔材料的可控制备及其在吸附分离、CO₂捕获和转化、电储能以及催化转化等领域的应用。开展了可再生能源制氢及综合利用等研究。主持主研国家自然科学基金等项目10余项，发表SCI论文150多篇。

赵丽娜   天津大学化工学院，博士后。主要研究方向为新型纳米材料在Na/K离子电池储能与转换的应用。

张亚茹  天津大学化工学院，硕士研究生在读。主要研究方向为水系锌离子电池正极材料以及锌负极的修饰改性。

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