Small Methods:含氧缺陷钒酸钾/碳纳米带三维网络用于高性能水系锌离子电池

水系锌离子电池因其安全、环保、低成本等优点,近些年成为电化学储能领域的研究热点。由于金属锌负极自身具有高的理论比容量以及高的安全性等,因而高性能正极材料的制备是目前水系锌离子电池研究的重点。已有的研究指出,锰氧化物、钒氧化物、普鲁士蓝等材料可作为锌离子存储的有效载体,特别是钒氧化物作为水系锌离子电池正极材料表现出了相对优异的电化学性能。然而,开发兼具有高比容量、良好倍率性能以及优异循环稳定性的正极材料仍是一个挑战;同时,目前报道的钒氧化物正极材料大都是通过水热方法合成,难于实现规模化制备,这也阻碍了水系锌离子电池的商业化。

澳大利亚悉尼科技大学汪国秀教授课题组联合燕山大学邵光杰教授课题组以五氧化二钒和柠檬酸钾共混物为原料,在惰性气氛下进行热处理,柠檬酸钾热解过程中产生的碳与钒酸钾的生成同步进行、且碳网络的存在抑制了钒酸钾的生长,最终得到了含氧缺陷钒酸钾纳米线/碳纳米带三维网络复合材料(C-KVO|Od)。相比之下,空气气氛下热处理得到的为微米级钒酸钾棒状颗粒(KVO)。

制备的含氧缺陷钒酸钾/碳纳米带三维网络复合材料作为水系锌离子电池正极展现出优异的电化学性能,其在0.2和20 A/g电流密度下的比容量分别可达385和166 mAh/g, 表明了高的锌离子存储容量和快速存储锌离子的能力。此外,该材料具有优异的循环稳定性,经过1000次循环充放电,比容量保持率约为95%。

作者进一步对该材料存储锌离子的相关储能机理等进行了研究。基于一系列原位/非原位实验分析和理论计算,揭示了氧缺陷和碳网络的引入对于钒酸钾储锌动力学的影响和作用机制。该工作有望推动高性能水系锌离子电池的大规模生产。相关论文以“3D Oxygen‐Defective Potassium Vanadate/Carbon Nanoribbon Networks as High‐Performance Cathodes for Aqueous Zinc‐Ion Batteries”为题,在线发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201900670)上。