四川大学汪渊&裘南Nano Letters：4000圈容量保持率96.2%的水系锌电

【研究背景】

水系钒基锌离子电池具有制造简单、成本低、安全性高等优点，是一种很有前景的规模储能电池。然而，由于其正极材料在服役过程中结构破坏严重，导致其容量衰减快等问题阻碍了其商业应用。同时，锌负极在水系电解液中的不可逆反应，不仅加剧了副反应的产出，降低了电池的长效循环稳定性；而且增大界面电阻，降低了电池的能量利用效率。显然，如果可以优化钒基正极材料的微结构，同时增强锌负极的结构稳定性，将有望制备出性能更加优异的水系锌离子电池。

【工作介绍】

近日，四川大学原子核科学技术研究所汪渊教授/裘南博士课题组，联合四川大学朱英明博士等人，通过低成本、简便的一步合成路线制备了钒酸钾(KVO)纳米带，并将其作为正极材料与碳增强的锌箔(AB-Zn)负极配对，组装成水系锌离子电池。通过钾离子预活化位点来提高钒基正极材料比容量和结构稳定性。该正极材料在0.2 A g^-1电流密度下的比容量达到461 mAh g^-1，平均库伦效率接近100%。同时，结合增加负极电子传输通道，降低电流密度以减小极化，平均能量效率达到86.6%。该体系表现出优异的倍率性能(313.4 mA h g^-1 @ 10 A g^-1)和循环稳定性(4000圈容量保持率96.2%)。该文章发表在国际顶级期刊Nano Letters上。裘南为本文第一作者，汪渊和朱英明为通讯作者。该课题组已经在水系电池领域发表了系列文章（Chem. Commun., 2020, 56, 9174-9177；Chem. Commun., 2020,56, 3785-3788; Electrochimica Acta, 2018, 272, 154-160）.

【内容表述】

图1. KVO纳米带的结构和形貌表征。(a) XRD谱 and (b) SEM图像；(c-e) TEM图像；(f) 元素面扫描。

图2. 锌负极改性。(a) 0.2 A g⁻¹下Zn//KVO and AB-Zn//KVO体系的充放电曲线，发现优化负极可以进一步提高电池的比容量和能量效率；(b) 0.64 mA cm^-2 锌对称电池的溶解/沉积性能；(c-e) and (f-h) 分别是AB-Zn和Zn对称电池的电极经过2000次循环后的SEM图像, 其中电极表面处的SiO₂ 来源于玻璃纤维隔膜。

图3. AB-Zn//KVO水系锌离子电池的电化学性能。(a) 0.1 mV s^-1 扫描速率下的循环伏安曲线；(b) 低倍率下(0.2 A g^-1), AB-Zn//KVO电池的循环性能；(c)存储性能；(d-f) 倍率性能分析. (g-h) 高倍率下(4 A g^-1和10 A g^-1), AB-Zn//KVO电池的循环性能。

图4. KVO电极材料的储锌机理分析。(a) 不同扫描速率下的循环伏安曲线；(b) 线性拟合后不同峰电流下的斜率值；(c)在0.1 mV s^-1扫描速率速下的赝电容贡献率；(d) GITT测定化学扩散系数；(e-h) 非原位XRD，TEM元素面扫描，XPS分析。

作者发现在此体系中，正极材料中的钾离子在活化过程中被锌离子所取代，但是依旧可以保持具有高比表面的纳米带形态。此外还发现，相对于活性物质中的结晶水，电解液中的水分子在活化正极材料中其更加重要的作用。

Nan Qiu, Zhaoming Yang, Rui Xue, Yuan Wang*, Yingming Zhu*, and Wei Liu, Toward a High-Performance Aqueous Zinc Ion Battery: Potassium Vanadate Nanobelts and Carbon Enhanced Zinc Foil. Nano Letters, 2021. DOI:10.1021/acs.nanolett.0c04539