Advanced Functional Materials:层间掺杂策略助力提升锌离子电池V2O5正极材料的储锌性能

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大以及循环寿命长等优点,已经被广泛应用于各种便携式电子设备以及电动汽车等领域。然而,锂资源的稀缺性以及成本问题制约了锂离子电池在大规模储能系统中的应用。相对于锂而言,锌元素在地壳中的分布广泛、储量丰富,使得锌离子电池具有明显的资源优势以及价格优势。然而,带有多价态电子的锌离子在正极材料中嵌脱缓慢,动力学性能较差,严重影响了电池的比容量、循环稳定性和倍率性能。因此,仍需开发新型高性能正极材料。

鉴于此,广东工业大学的李成超教授团队利用层间锰离子与水分子掺杂来协同提高五氧化二钒正极材料的锌离子传输动力学,并研究了其作为锌离子电池正极材料的电化学储锌性能和机理。结果表明,合成的Mn0.15V2O5·nH2O表现出优异的锌储存性能,其可逆容量高达367 mAh g-1(0.1 A g-1)。在10和20 A g-1的大电流密度下循环8000圈后,其比容量仍能保持在153和122 mAh g-1。即使在-20 oC的低温下,电流密度为2.0 A g-1时,循环2000圈,比容量可以稳定在100 mAh g-1。该材料优异的电化学主要归根于其层间掺杂锰离子与水分子的协同作用,不仅提高了电极材料电子导电性,而且有效增强了锌离子嵌入脱出动力学。并且由于离子柱撑作用以及局域电荷相互作用,该电极材料在循环过程中的结构稳定性得以大幅提升。该工作借助非原位XRD、TEM等表征技术,对Mn0.15V2O5·nH2O电极材料的物相结构、微观形貌在充放电过程中的变化进行了深入研究,揭示了其电化学储锌机理,为高倍率、长循环性能锌离子电池正极材料的设计合成提供了依据。相关论文“Electronic Structure Regulation of Layered Vanadium Oxide via Interlayer Doping Strategy toward Superior High-Rate and Low-Temperature Zinc-Ion Batteries”在线发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201907684)。