Advanced Science:可调控的双离子共掺杂(Na,Mn)V8O20·nH2O作为高性能水系锌电池正极材料

近几年,水系锌离子电池安全性高,成本低,逐渐成为储能器件领域的有力竞争者。然而,水系锌电池正极材料的低能量密度和差循环稳定性仍然限制了其实际应用。在众多的正极材料中,钒氧化物具有较高的比容量而备受关注,但其在长期循环过程中结构的不稳定性限制了其进一步的发展。为了解决这一问题,目前普遍采用将结晶水或金属离子预嵌入钒氧化物的层间,特别是金属离子可以起到结构支柱的作用进而在一定程度上保持了长期循环过程中结构的稳定性。预嵌入的离子包括碱金属离子Li+、Na+、K+),碱土金属离子(Mg2+、Ca2+)过渡金属离子(Cu2+、Zn2+、Mn2+)。虽然它们均提高了正极材料的长循环稳定性,但碱金属与过渡金属在提高材料电化学性能上的不同作用机制尚不明确。

山东大学晶体材料国家重点实验室王书华教授(通讯作者)、刘宏教授(通讯作者)、联合中国科学院化学研究所郭玉国研究员(通讯作者)针对这一问题,提出了利用水热法制备钠离子和锰离子共嵌入的(Na,Mn)V8O20·nH2O作为水系锌电池的正极材料,并通过实验及理论计算阐明了碱金属与过渡金属在提高正极材料电化学性能方面所起的作用。结果表明:在充放电过程中,碱金属离子有助于提高锌离子的扩散,过渡金属离子有利于提高材料的导电性,碱金属离子和过渡金属离子间的协同作用是提高电化学性能的关键。随着锰含量的增加,正极材料的载流子浓度有增加的趋势,并且正极材料的循环稳定性会进一步提高,这为设计其他高性能电池的正极材料提供了指导方向。此外,作者在(Na,Mn)V8O20·nH2O的基础上扩展出一系列过渡金属和碱金属离子共掺杂的钒氧化物用于水系锌电池的正极材料,扩大了储能器件正极材料的选择范围。

相关论文在线发表在Advanced Science(DOI:10.1002/advs.202000083)上。文章第一作者为山东大学晶体材料研究所硕博连读研究生杜敏。