Advanced Functional Materials:超高载量MoO3电极助力高面积比容量氢离子电池

目前,能源存储领域急需高容量、高倍率的法拉第电极。法拉第电极的倍率性能由载流子在电极内部的扩散速度决定,也由载流子的种类决定。第一主族碱金属(例如Li+、Na+、K+)是目前电池领域的研究热点。但随着载流子的尺寸增加,在电极材料内部嵌入/脱出过程越困难,从而难以同时实现高功率密度和能量密度。氢离子不仅为尺寸最小的离子且具有超高的传导速率。类似于牛顿摆,质子在氢键网络的快速传导可归因于1806年提出的von Grotthuss机制。近日,氢离子作为载流子引起了越来越多的关注。尽管已取得一定进展,但高功率密度和能量密度氢离子电池鲜有报道。面积比容量是电池能量密度和体积容量的重要参数,且对实际的能源存储器件的发展意义重大。原则上,面积比容量可通过增加活性材料的面载量来提高。但长的离子扩散距离通常会导致电极材料容量损失,因此金属载流子很难通过高载量来实现高面积比容量,目前报道的金属载流子电池面载量通常低于20 mg cm-2。而且其大尺寸在循环中会破坏电极材料结构,缓慢的扩散动力学往往导致差的倍率性能。

新南威尔士大学赵川教授课题组针对这一问题通过制备高载量的MoO3电极(大于90 mg cm-2)实现了氢离子电池电极超高的面积比容量(22.4 mAh cm-2)。相关结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202005477)上。

该研究团队所制备的MoO3纳米线为正交晶系(Pbnm空间群,a = 3.965 60 Å,b = 13.873 00 Å,c = 3.706 30 Å)。XRD精修显示其为层状结构,有层间和层内两种可能的嵌氢位点。TEM表明纳米线直径~200 nm,长度~5 μm。在低载量下,MoO3电极具有优异的电化学储氢性能:三对CV氧化还原峰,反应动力学以氢离子扩散为主。H2.0MoO3和H1.1MoO3之间的可逆氧化还原反应使其具有高的比容量(235 mAh g-1)。且MoO3具有超高的倍率性能(高达200C),动力学研究表明氢离子的扩散系数(3.27 x 10-10 cm2 s-1)为锂离子的30倍。在高载量下,氢离子在厚电极内快速扩散,且该厚电极具有良好的电子电导率,因此94.16 mg cm-2 MoO3电极的面积比容量可高达22.4 mAh cm-2,远高于目前所报道的大部分能量存储器件电极的面积比容量。且高载量电极具有良好的倍率性能和循环稳定性(>5000圈)。该研究中的氢离子电池厚电极不仅对实现高面积比容量提供了新思路,同时为开发高能量密度、高功率密度的储能器件奠定了基础。文中高载量电极采用简易、传统的涂布方式来制备,不仅能大大简化电池装配过程而且能降低生产成本,对工业量产和商业化应用有重大意义。