Advanced Materials:解锁无序氯化钠型立方晶体结构正极实现高容量高倍率的锌离子储存

迄今为止,有序晶体结构正极广泛应用于锌离子电池,例如具有隧道结构的VO 2和β-MnO2,层状结构的Zn 0.25V2O5⋅nH2O,尖晶石结构的ZnMn2O4。在这些有序结构正极中,锌离子能够可逆地在晶格中嵌入/脱出,有时还和初始循环中的转化反应有关。理论和实验结果表明,有序晶体结构可以有效地抑制离子反复嵌入/脱出时晶格结构的畸变,使电池具有良好的循环稳定性。在大多数情况下,增强电极材料的有序性甚至有助于提高可逆容量和倍率性能。因此,大多数研究人员专注于探索有序晶体型锌离子电池正极材料,进而造成无序正极材料用于锌离子储存被长期忽视。直观上看,锌离子扩散在紧密排列的面心立方晶格中受到极大的限制,因此化学计量比的岩盐晶体或氯化钠晶体结构材料(如氮化钒,碳化钒等),不太可能实现锌离子的有效储存。

令人振奋的是,北京航空航天大学材料科学与工程学院,杨树斌老师课题组借助于原位X射线衍射,球差电镜,X射线吸收谱,拉曼光谱等测试表征手段,发现化学计量的岩盐结构的氮化钒(VN 0.9 O 0.15)在首次充电时发生转化反应,氮化钒中高价阴离子氮(N3-)部分被低价氧(O2-)取代,产生阴离子无序的而且具有大量空位/缺陷的岩盐结构材料。 这种具有大量空位/缺陷的无序岩盐结构极大地促进了锌离子的储存和扩散。从而实现在0.2C下具有603mAh/g的高可逆比容量,在600C(对应的电流密度为102.4 A /g)的高倍率下可逆容量仍有124mAh/g。

与此同时,这种解锁锌离子储存的策略具有广泛的普适性,对于碳化钒(VC)和二硅化钒(VSi 2)等具有不同晶体结构的材料也同样适用。可以预料,这种解锁策略可以进一步用于不同价态的离子储存,特别是多价离子储存。相关论文以“Unlocking the Potential of Disordered Rocksalts for Aqueous Zinc‐Ion Batteries”为题,在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201904369)上。