Small methods:原位生长银纳米粒子增强的赝锌空反应构建高性能水系锌离子电池正极材料

水系锌离子电池直接使用锌金属作为负极,是一种具有高容量的二次电池。由于其成本低廉,环境友好,在大规模储能中具有良好的应用前景。然而当前水系锌离子电池缺乏具有长循环寿命的正极材料,其广泛应用受到了限制。鉴于二价离子嵌入过程中与正极材料间较强的库伦力作用,可供选择的正极材料十分有限。目前研究较多的主要包括有隧道结构的锰基材料,层状结构的钒基材料,以及拥有开放式结构的普鲁士蓝类似物。此外,在充放电过程中电极材料表面形成的锌碱式盐,其形成机理备受争议,以及对电池性能的影响尚不明确,使其成为亟待深入研究的问题之一。

近期,中山大学王成新教授和杨功政副教授课题组通过水热法制备了钒酸银纳米带,并将其用作水系锌离子电池正极材料。研究发现,在首圈充放电时,伴随着锌离子的嵌入脱出,银纳米粒子也会发生部分不可逆的析出,并且在此后的循环中稳定分布于纳米带表面。作者通过直接添加纳米银颗粒到五氧化二钒正极材料中,进一步模拟研究了银纳米颗粒在充放电中的作用。测试发现,银纳米颗粒周围堆积形成大量碱式盐。同时结果表明,银纳米颗粒会增强赝锌空反应(发生在电池封闭环境中材料表面,区别于锌空电池中在半开放环境下的类ORR反应),并大幅提高材料的容量(由 175增至275 mA h g‒1)。因此,得益于材料表面析出的银纳米颗粒,钒酸银纳米带具有较高的质量比容量(213 mA h g‒1)和优异的长循环寿命,在6000次循环后仍保持93%的容量持有率。

值得一提的是,在三氟甲磺酸锌水系电解液中生成的锌碱式盐Zn12(CF3SO3)9(OH)15·nH2O首次被合成、表征和识别。作者认为这项研究可以为锌离子电池的研究开拓新的思路,为其进一步的发展做出贡献。

相关成果以“In-Situ Ag Nanoparticles Reinforced Pseudo-Zn-Air Reaction Boosting Ag2V4O11 as High-Performance Cathode Material for Aqueous Zinc-Ion Batteries”。为题发表在Small methods(DOI: 10.1002/smtd.201900637)