大連化物所利用釩基二維異質(zhì)結(jié)材料構(gòu)建高性能鋅離子電池

鋅離子電池充放電機(jī)理及其表征分析和性能測(cè)試圖

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所二維材料與能源器件研究組研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種二維模板離子吸附策略，制備出二維無(wú)定形V₂O₅/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)新材料，實(shí)現(xiàn)了高效離子-電子協(xié)同傳輸，獲得了高安全、低成本、高性能水系鋅離子電池。

水系鋅離子電池具有安全性高、成本低、鋅儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注。開(kāi)發(fā)低成本、高容量正極材料一直是鋅離子電池研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。目前，釩基材料具有多價(jià)離子反應(yīng)機(jī)制、高容量的特點(diǎn)，是一種有研究前景的正極材料，但其塊體材料存在反應(yīng)活性位點(diǎn)少、電子導(dǎo)電低、體積膨脹等問(wèn)題，導(dǎo)致容量低、循環(huán)性能差。因此，急需發(fā)展高容量、高倍率、長(zhǎng)壽命的釩基正極材料，來(lái)滿足鋅離子電池應(yīng)用的需求。

為解決這一問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種二維模板離子吸附策略，將無(wú)定形V₂O₅均勻生長(zhǎng)于高導(dǎo)電的石墨烯表面，獲得了一種超薄V₂O₅/石墨烯（A-V₂O₅/G）二維異質(zhì)結(jié)新材料，充分結(jié)合無(wú)定形V₂O₅本身豐富的活性位點(diǎn)、離子擴(kuò)散路徑短的優(yōu)點(diǎn)和石墨烯高導(dǎo)電性、良好機(jī)械穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高效離子-電子協(xié)同傳輸，獲得了高容量、高倍率、長(zhǎng)壽命、高安全性的水系鋅離子電池。在0.1 A/g的電流密度下，具有489 mAh/g的高容量，遠(yuǎn)高于目前報(bào)道的鋅離子電池的比容量。同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能，在大電流70 A/g時(shí)，仍保持高達(dá)123 mAh/g的容量。此外，以V₂O₅/石墨烯異質(zhì)結(jié)為正極，構(gòu)建了平面化微型鋅離子電池，該電池具有高體積容量、長(zhǎng)壽命以及良好的集成特性，證明了其作為高安全性、低成本、可穿戴儲(chǔ)能器件的潛力。該工作為發(fā)展高效電子-離子協(xié)同增強(qiáng)的二維異質(zhì)結(jié)材料提供了新策略，為構(gòu)建高效電化學(xué)能源器件提供了新思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）上。上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的資助。