东北大学杜涛教授、骆文彬教授《ACS AMI》：非水系锌离子电池的新型磷酸盐Zn2Fe(PO4)2正极材料

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近期，东北大学杜涛教授、骆文彬教授在非水系锌离子电池正极材料方向取得新进展，探索了新型磷酸盐Zn₂Fe(PO₄)₂作为非水系锌离子电池正极的可行性，为实现高性能锌离子电池提供了一种潜在可行的正极材料。相关成果以标题为“New Phosphate Zn₂Fe(PO₄)₂ Cathode Material for Nonaqueous Zinc Ion Batteries with Long Life Span” 发表在ACS Applied Materials & Interfaces。东北大学冶金学院国家环境保护与工业生态重点实验室博士研究生周立峰为论文第一作者。此研究得到国家重点研究发展项目与国家自然科学基金等资助支持。 
图1 ZFP@C表征 (a) X射线衍射图（插图为晶体结构的示意图）；（b）ZFP@C 的TEM 、SEM与EDS图；（c）拉曼光谱；（d-f）XPS分析。
实验通过两步高温退火的方法合成Zn₂Fe(PO₄)₂（ZFP）复合材料，并通过气相沉积的方法在表面覆盖一层碳薄膜以提高材料的导电性。如图1所示，通过X射线衍射、扫描电子扫描显微镜、拉曼光谱、X射线电子能谱等方式证明了ZFP材料合成与碳薄膜附着的成功。这种ZFP@C材料具有规则隧道结构与良好的热力学性能，可以作为锌离子插入的主体，同时具有较低的比表面积，能够有效的的避免吸附行为。

图2 电化学测试 ZFP@C//FePO₄全电池（a）CV循环曲线；（b）0.1C电流密度下充放电曲线；（c）ZFP@C//FePO₄和ZFP@C//D-ZFP@C电池的循环性能与库伦效率；（d）0.1-2.0 C的范围内的倍率性能与库伦效率图。
在ZFP@C//FePO₄全电池体系中进行了电化学测试（图2），前三圈高度重合的CV曲线证明了材料良好的可逆性。在0.1C的电流密度下，ZFP@C//FePO₄全电池表现出34.6mV的低电压滞后，循环100圈后可逆容量为180mAh·g^-1，容量保留率达到95.5%，并且拥有99%的高库伦效率；在1C的电流密度下，仍然拥有151mAh·g^-1的可逆容量，在循环500圈后容量保留能达到90.4%。相对于其他研究已经提出的材料， ZFP@C//FePO₄全电池拥有良好的库伦效率，可逆容量与长循环下的容量保持率。 
图3 动力学计算 ZFP@C//FePO₄全电池（a）CV曲线中In i 与In v 的计算结果与拟合曲线；（b）不同温度下电池循环50次后的EIS曲线；（d）Log D与T^-1的和Log i 与T^-1计算结果与拟合曲线；(d)GITT曲线与锌离子扩散系数。
最后利用ZFP@C//FePO₄全电池不同扫描速率下的CV曲线与不同温度下的EIS曲线对非水电解质中全电池的动力学进行了计算，如图3所示，计算结果说明正极的动力学以扩散为主，容量主要取决于电容行为，正极电极的活化能与扩散表观活化能分别为6.9KJ·mol^-1 与3.1KJ·mol^-1，较低的活化能将有助于材料在非水系电解质中表现出优异的化学性能。这些结果成功的证明了ZFP材料用于非水系锌离子电池的正极的可行性，为实现高性能锌离子电池提供了新的思路与方法。 该研究成果以“New Phosphate Zn₂Fe(PO₄)₂ Cathode Material for Nonaqueous Zinc Ion Batteries with Long Life Span”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。论文通讯作者为东北大学冶金学院杜涛教授和骆文彬教授，第一作者为冶金学院国家环境保护与工业生态重点实验室2018级博士生周立峰。论文作者还包括高宣雯博士、刘丽影博士以及宫赫博士。作者所在团队为国家环境保护与工业生态重点实验室，主要研究方向包括节能减排与系统节能、碳捕集与利用、二氧化碳加氢催化与光催化制备甲醇、钠离子电池以及锌离子电池研究等。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.1c10380

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