Advanced Energy Materials:超薄二维异质结基高安全、高性能锌离子电池

随着全球对清洁能源需求的日益增加,发展高安全、低成本、高性能电池受到了广泛关注。锂离子电池是目前主要的电化学储能器件,已广泛应用于便携式电子设备、新能源汽车等领域,但锂离子电池仍存在锂资源匮乏、成本高、有机电解液不安全等问题,极大限制了其在高安全、低成本的可穿戴电子和大规模储能领域中的应用。近年来,水系锌离子电池具有锌资源丰富、成本低、水系电解液安全性高和环境友好等优点,是一种非常重要的高安全非锂电化学储能器件。开发低成本、高容量正极材料一直是锌离子电池研究领域的难点。钒基材料具有多价离子反应机制、高容量的特点,被广泛认为是一种非常有前景的正极材料,但是钒基块体材料存在活性位点少、离子-电子导电性差、微溶于水、充放电过程中的体积膨胀等问题,导致了其循环寿命短、容量难以发挥。因此,急需发展高容量、高倍率、长寿命的钒基正极材料,来满足锌离子电池应用的需求。

中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员团队发展了一种二维模板离子吸附策略,将无定形V2O5均匀生长于高导电的石墨烯表面,制备出一种超薄V2O5/石墨烯二维异质结新材料,实现了高效离子-电子协同传输,获得了一种高容量、高倍率、长寿命、高安全的水系锌离子电池。相关结果发表在Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.202000081)上。

超薄V2O5/石墨烯(A-V2O5/G)二维异质结新材料能够充分结合无定形V2O5本身丰富的活性位点、离子扩散路径短和石墨烯高导电性、良好机械稳定性的优点,不仅提高了离子嵌入/脱出时电极结构稳定性,实现高容量、长寿命的需求,而且高导电石墨烯提供了电子快速迁移的载体,显著提高了倍率特性。在0.1 A/g的电流密度下,具有489 mAh/g的高容量,高于目前报道的锌离子电池的比容量。同时表现出优异的倍率性能,在大电流70 A/g时,仍保持高达123 mAh/g容量。此外,研究人员以V2O5/石墨烯异质结为正极,构建了高安全平面化微型锌离子电池,并获得了高体积容量、长寿命以及良好的串并联集成特性,证明了其作为高安全、低成本、可穿戴储能器件的潜力。该工作为发展高效电子-离子协同增强的二维异质结材料提供了新策略,为构建高效电化学能源器件提供了新思路。