祝賀我司客戶在水系鋅離子電池釩基正極材料方向取得進(jìn)展
第一作者:王大鵬
通訊作者:溫昶
文章名稱:《In-situ construction of VN-based heter ostructure with high interfacial stability and porous channel effect for efficient zinc ion storage》
影響因子:11.2
01老師簡介
溫昶老師是華中科技大學(xué)能源學(xué)院副教授,發(fā)表第一/通訊作者SCI論文共34篇,其中包括能源領(lǐng)域期刊Progress in Energy and Combustion Science(IF 32.0),申請國家發(fā)明14項,授權(quán)9項。主持國家自然科學(xué)基金面上項目/青年基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃子課題2項、中國博士后科學(xué)基金面上資助/國際交流計劃學(xué)術(shù)交流項目等項目,參與國家自然科學(xué)基金國際合作重點(diǎn)基金、科技支撐計劃、湖北省重大創(chuàng)新項目等多項。
02論文研究背景
缺乏合適的正極材料成為制約水系鋅離子電池應(yīng)用的挑戰(zhàn)之一。首先,正極結(jié)構(gòu)的不匹配導(dǎo)致Zn2+的存儲位點(diǎn)有限,這降低了其容量,進(jìn)而影響了能量密度。其次,Zn2+與正極框架之間存在強(qiáng)烈的靜電相互作用,這不僅導(dǎo)致反應(yīng)動力學(xué)緩慢,還可能觸發(fā)結(jié)構(gòu)的崩潰,進(jìn)一步限制了AZIBs的循環(huán)壽命。因此,探索與Zn2+更兼容且具有堅固結(jié)構(gòu)的正極材料對于實(shí)現(xiàn)AZIBs的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。
03論文亮點(diǎn)/摘要
釩氮化物(VN)作為一種有前景的水系鋅離子電池(AZIBs)正極材料,會經(jīng)歷不可逆的相變,伴隨著結(jié)構(gòu)變化和持續(xù)的釩溶解,這損害了循環(huán)穩(wěn)定性和反應(yīng)動力學(xué)。為了解決這些挑戰(zhàn),我們設(shè)計了一種核-殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)(VONC-T,T代表溫度),由VN核和多孔碳?xì)そM成。這種結(jié)構(gòu)是通過原位構(gòu)建合成的,涉及將鋅基金屬-有機(jī)框架(ZIF-8)以優(yōu)化的比例涂覆在釩基金屬-有機(jī)框架(MIL-47(V))上,然后進(jìn)行熱處理。這個過程確保了核與殼之間界面穩(wěn)定性的高度,有效地減輕了VN在不可逆相變過程中的結(jié)構(gòu)變化,并增強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在熱驅(qū)動下,殼層中鋅的揮發(fā)產(chǎn)生了多孔通道效應(yīng),這促進(jìn)了Zn2+的擴(kuò)散。Zn2+擴(kuò)散的增強(qiáng)加強(qiáng)了VN高效轉(zhuǎn)化為非晶態(tài)VOx的過程,標(biāo)記為VONC-T-a,這提供了更多的活性位點(diǎn),因此實(shí)現(xiàn)了高比容量。優(yōu)化的VONC-900-a異質(zhì)結(jié)構(gòu)展示了在0.2 A g?1下的高可逆容量387.2 mAh g?1,并在20 A g?1下展示了出色的倍率性能,達(dá)到274.5 mAh g?1,同時在10 Ag?1下5000個循環(huán)后保持了93.3%的容量保持率。密度泛函理論計算證實(shí)了核-殼結(jié)構(gòu)中反應(yīng)動力學(xué)的改善。這項研究不僅突出了非晶釩氧化物核-殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)在AZIBs中的潛力,而且還為VN的轉(zhuǎn)化機(jī)制提供了新的見解。
04圖文解析
圖1:在水系鋅離子電池(AZIBs)中先進(jìn)釩氮化物(VN)基正極的設(shè)計策略。
(a) 通過使用AZIBs進(jìn)行靈活的電力調(diào)節(jié)。(b) 商用釩氮化物失效模型的示意圖。(c) 傳統(tǒng)構(gòu)建的釩氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)抗失效模型的示意圖。(d) 基于高界面穩(wěn)定性和多孔通道效應(yīng)的釩氮化物基正極的原位構(gòu)建。
圖2:(a) 合成過程的示意圖。不同核殼樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像:(b) MIL-47(V),(c) MIL@ZIF-1/2,(d) VONC-900。(e) 和 (f) VONC-900的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。(g) VONC-900的高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像,以及 (h) 核殼結(jié)構(gòu)VONC-900的元素分布圖。(i) 不同核殼結(jié)構(gòu)VONC-T的X射線衍射(XRD)譜圖。(j) 核殼結(jié)構(gòu)VONC-T的氮?dú)馕?脫附等溫線,插圖顯示了相應(yīng)的孔徑分布。VONC-900的高分辨率X射線光電子能譜(XPS)譜圖 (k) V 2p。
圖3:(a) 示意圖說明了基于VONC-T的正極材料的轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程。(b) VONC-900正極在0.2 mV/s掃描速率下,電壓范圍0.2-1.8 V的循環(huán)伏安(CV)曲線。(c) VONC-900在0.5 M電解液中的CV循環(huán):乙腈、乙腈+10wt%水和水。(d) 來自密度泛函理論(DFT)計算的電荷密度差異圖。(e, f) 非原位XRD圖譜。(g) 不同狀態(tài)下不同釩(V)物種的比例。(h) VONC-900和VONC-900-a在0.2 mV/s掃描速率下的CV曲線。
圖4:(a) 倍率性能。(b) VONC-900-a的典型放電/充電曲線。(c) 帶有等效電路圖(插圖)的Nyquist圖。(d) VONC-900-a在0.2 A/g下的循環(huán)性能。(e) 單個電池能夠?yàn)轱@示屏供電。(f) VONC-900-a在10 A/g下的長期循環(huán)性能。(g) 與已報道的基于釩的電極相比的Ragon圖。
圖5:VONC-900-a正極材料的電化學(xué)動力學(xué)分析:(a) 不同掃描速率下的循環(huán)伏安(CV)曲線。(b) Log(i)與Log(ν)的圖。(c) 不同掃描速率下的容量貢獻(xiàn)比率。(d) 恒電位間歇滴定(GITT)曲線。(e) 對應(yīng)的鋅離子擴(kuò)散系數(shù)(DZn)。(f) 在特定狀態(tài)下的原位電化學(xué)阻抗譜(EIS)。
圖6:VONC-900-a正極材料的反應(yīng)機(jī)理:(a) 特定狀態(tài)下的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。(b) VONC-900-a在充電至1.6 V和放電至0.2 V時的非原位X射線衍射(XRD)圖譜。(c) VONC-900-a在原始狀態(tài)0.2 V、充電至1.6 V和放電至0.2 V狀態(tài)下的非原位X射線光電子能譜(XPS)圖譜:V2p。(d) Zn 2p。(e) VONC-900-a經(jīng)過5000個循環(huán)后的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。(f) 對應(yīng)的高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像,以及插入的選區(qū)電子衍射(SAED)圖。DFT計算:Zn2+在(g)非晶態(tài)VOx和(h)非晶態(tài)VOx@C中的擴(kuò)散能壘。插圖顯示了相應(yīng)的擴(kuò)散路徑。(i) VONC-T-a中Zn2+存儲機(jī)理的示意圖。
05本文所用設(shè)備
溫昶老師課題組在實(shí)驗(yàn)中所用雙溫區(qū)助力管式爐由科冪儀器提供,論文中也特別提到安徽科冪儀器有限公司,在此非常感謝老師對科冪儀器的選擇和認(rèn)可。
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