Advanced Materials:低晶格应变和晶格水富集的无机开放式框架正极材料应用于快速充电和长寿命锌离子电池

二次离子电池体系可存储和利用从绿色可再生能源(太阳能和风能等)转化而来的电能,被认为是解决化石燃料的不可再生性和日益加剧的环境污染问题的有效途径之一。其中,水系锌离子电池具有低成本、高安全和对环境友好等优点,有望应用于该类大规模电化学储能系统。目前,锌离子电池的发展仍处在初级阶段,机遇与挑战同时并存。锌离子的“二价”特性使得其与正极材料晶格之间存在强的静电相互作用(离子键);锌离子的嵌脱常导致正极材料发生大的晶格变化、氧化还原活性中心离子的溶解以及循环稳定性差的问题。此外,该强静电相互作用也导致了缓慢的固体锌离子迁移动力学,影响了锌离子电池的快速充放电性能。

针对该问题,中国科学院福建物质结构研究所孙传福课题组提出一种晶格水富集的无机开放式框架结构磷钒酸盐正极材料。研究结果表明:(1)大量晶格水分子的存在可有效地屏蔽锌离子与框架结构间的静电相互作用,实现了低的固体锌离子迁移能垒(0.66 eV, 接近商业化锂电池正极LiFePO4中锂离子迁移能垒0.55 eV)。由该正极材料构筑的水系锌离子电池实现了超快充电能力(1.9分钟可充电71%)和高功率密度(7200 W kg-1) 。(2)该无机开放式框架结构大的结构空隙使得材料在每分子式嵌入1.5个锌离子的前提下仍表现出低的晶格变化(<1%)。该准零晶格应变特性保证了材料的循环稳定性(3000次循环后,容量保持率为75% )和100%的平均库仑效率。

该锌离子电池新体系在单体电池水平上的能量和功率密度有望达到~90 Wh kg-1和~3320 W kg-1,超过目前使用的铅酸、镍镉和镍氢电池。研究者相信,低晶格应变和晶格水富集的无机开放式框架结构可为探索长循环和可快充的锌离子电池提供新的思路,并有望拓展到其它水系离子电池体系(一价钾离子、二价镁离子和三价铝离子)。相关成果以“Mass-Producible, Quasi-Zero-Strain, Lattice-Water-Rich Inorganic Open-Frameworks for Ultrafast-Charging and Long-Cycling Zinc-Ion Batteries”为题发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202003592)。