​中国计量大学宗泉、王疆瑛和华盛顿大学Guozhong Cao等ESM综述：高性能水系锌离子电池层状正极材料

近年来，水系锌离子电池作为高容量、低成本、绿色安全的新型储能器件，引起了研究学者的广泛关注。正极材料的开发是实现高性能水性锌离子电池（ZIB）的关键。迄今为止，寻找具有高工作电位、优异电化学活性和良好结构稳定性的阴极材料仍然是一个巨大的挑战。层状过渡金属化合物由于其二维离子扩散通道、优异的机械柔性和高度可调的层状结构，在能量存储和转换中得到了广泛的应用。然而，层状材料中正极/电解质界面处缓慢的去溶剂化过程以及Zn2+缓慢的扩散动力学仍然是亟需解决的关键问题。

【工作介绍】

近日，中国计量大学宗泉和华盛顿大学Guozhong Cao等人系统总结了层状过渡金属化合物作为水系ZIB阴极的最新进展及其储能机制，主要包括：过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属碳/氮化物、其他过渡金属化合物。此外，还阐述了改善这些层状TMC电化学性能的策略，包括层间工程、缺陷工程、复合工程和电解质工程，以实现实际应用。最后，对层状材料未来的研究方向和相关发展前景进行了展望。其成果以“Tailoring Layered Transition Metal Compounds for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在国际知名期刊Energy Storage Mater.上。中国计量大学宗泉为第一兼通讯作者，华盛顿大学Guozhong Cao为通讯作者。

图1 水系锌离子电池层状正极材料和设计策略。

【主要内容】

相比于隧道结构、尖晶石结构、框架结构和NASICON结构，层状结构具有以下优势：1） 层间通过相对较弱的范德华力和静电力连接，这使得离子的嵌脱过程能够在不破坏主体晶体结构的情况下进行，从而表现出良好的机械稳定性。2） 2D层状材料具有高比表面积，可为电化学反应提供丰富的活性位点，从而释放高比容量。3） 开放的2D离子传输通道可以缩短离子扩散距离并实现快速离子传输。4） 通过预嵌离子、分子和聚合物等不同的客体物种，可以有效地调节层间空间。5） 高的面内电导率加速了电子传输和电荷转移，有助于快速充电/放电过程。

图2 不同正极材料的结构特征。

层状过渡金属化合物进一步分为过渡金属氧化物（即δ-MnO₂、V₂O₅和MoO₃）、硫化物物（即VS₂、VSe₂、MoS₂、TiS₂和NbSe₂）、碳化物和氮化物（MXenes）以及其他化合物（VOPO₄和钒酸盐）。

图3 不同层状材料的晶体结构。

在实际应用中，层状TMCs中存在溶解、结构崩塌、导电性差和缓慢的传输动力学等问题。通过层间工程、缺陷工程、复合材料工程和电解液工程可以有效提高层状材料的电化学性能。

图4 不同层状材料的优缺点。

本文总结了层状TMCs作为水系锌离子电池正极材料的最新进展，包括晶体结构、储锌机制和传输动力学问题。此外，我们还总结了层状TMCs设计策略的最新进展，包括层间工程、缺陷工程、复合材料工程和电解质工程。尽管如此，这一研究领域仍处于初级阶段，对于高性能正极材料仍有许多基本问题需要解决。因此，还可以在以下方面做出进一步努力：（1）通过机器学习筛选新型高性能层状材料；（2）精确设计电极材料；（3）探索新型电解质；（4）原位测试实时监测电化学反应过程；（5）新型电池结构；（6）实际应用工况条件测试。

图5 层状正极材料未来发展展望。

Quan Zong*, Yuanzhe Wu, Chaofeng Liu, Qianqian Wang, Yanling Zhuang, Jiangying Wang, Daiwen Tao, Qilong Zhang, Guozhong Cao*. Tailoring Layered Transition Metal Compounds for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries. Energy Storage Mater. 2022. 

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.08.007