插层工程系统调控水系锌离子电池正极材料MoO3的电化学性能

Energist 能源学人

【研究背景】

作为水系锌离子电池（AZIBs）的正极材料，层状过渡金属氧化物α-MoO₃具有理论比容量高、无毒等优点，是最有应用前景的AZIBs正极材料之一。但是，与其他AZIBs正极材料一样，α-MoO₃也还存在电化学动力学缓慢和循环稳定性差这两大缺陷。

【内容简介】

近日，南京大学侯文华教授&郭学锋教授团队报道了一种将导电聚合物-聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)引入α-MoO₃层间的策略，成功合成了复合物PEDOT-MoO₃。通过CV、EIS和GITT等结果的分析，证明了PEDOT-MoO₃作为AZIBs正极材料的电化学动力学得到了明显的提升。文章还利用第一性原理计算进一步从微观上揭示了PEDOT插层后α-MoO₃能带的改变以及充放电过程中Zn²⁺与Mo-O层之间结合能的降低。同时，它降低了亲水性，抑制了充放电过程中钼的溶解，有利于电极材料的结构稳定性。有趣的是，研究还发现PEDOT-MoO₃优异的电化学动力学还可抑制锌枝晶的生长，从而显著延长了Zn//PEDOT-MoO₃电池的循环寿命。因此，与原始MoO₃相比，PEDOT-MoO₃表现出增强的放电比容量(341.5 vs. 146.7 mAh·g⁻¹ @ 0.1 A·g⁻¹)、高的倍率性能(178.2 vs. 19.4 mAh·g⁻¹ @ 30 A·g⁻¹)和更长的循环稳定性(30 A·g⁻¹时500次循环容量保持77.6% vs. 100次循环容量保持2.3%)。此外，PEDOT-MoO₃作为准固态ZIB正极材料也表现出不错的电化学性能。该文章发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials上。南京大学博士方志唐为本文第一作者。

【图文解析】

图1. 应用XRD、FTIR 、TGA、SEM与STEM等手段对MoO₃ 和 PEDOT-MoO₃进行相关晶体结构、形貌和元素组成分布的表征。

图2. 对MoO₃和PEDOT-MoO₃的电化学性能表征

图3. PEDOT-MoO₃的储能机理研究

图4. PEDOT-MoO₃的电化学动力学研究

图5. Zn//PEDOT-MoO₃水系电池的锌负极研究

【结论】

综上所述，本文成功合成了具有高倍率性能和良好循环稳定性的AZIB正极材料PEDOT-MoO₃。通过CV、EIS和GITT等的数据分析以及第一性原理理论计算，证明PEDOT插层后MoO₃的电化学动力学显著改善。同时，由于其疏水性增强、充放电过程中钼溶解以及锌枝晶生长被抑制，PEDOT-MoO₃的电化学稳定性得到了显著提升。有趣的是，本研究发现PEDOT-MoO₃优异的电化学动力学可以抑制锌枝晶生长。得益于这些调控的协调效应，PEDOT-MoO₃作为AZIB正极材料获得了令人印象深刻的电化学性能。本文的插层工程策略为高性能AZIB的正极材料设计提供了一种潜在的方法。

Zhitang Fang, Cong Liu, Xiaoge Li, Luming Peng, Weiping Ding, Xuefeng Guo,* and Wenhua Hou*, Systematic Modification of MoO₃-Based Cathode by the Intercalation Engineering for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater. 2022.

https://doi.org/10.1002/adfm.202210010

作者简介

侯文华，男，南京大学化学化工学院教授，博士生导师。主要从事层状材料的制备化学和物理化学性能研究，物理化学国家级教学团队和一流课程负责人，发表研究论文300余篇，曾获教育部自然科学奖一等奖和科技进步二等奖各1次、国家级教学成果一等奖和二等奖各1次、首届全国教材建设奖优秀教材二等奖、宝钢教育基金全国优秀教师奖、霍英东教育基金全国优秀青年教师奖、第一届南京大学“赵世良”讲座教授、第二届南京大学教学名师。

郭学锋，男，南京大学化学化工学院教授，博士生导师。长期从事新型纳米结构材料与化学,催化（介观）新材料，绿色（工业）催化以及新型储能材料等领域的研究，已在Science Advances, Angew.Chem. Int.Ed.、J.Am.Chem.Soc.、ACS Catalysis、ACS Energy Letters、ACS Nano、Green Chem、Chem. Commun.、Langmuir、J.Phys.Chem.C等国际刊物上发表SCI论文一百余篇，被他引4000余次。

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2023-01-08