Advanced Functional Materials:原位电化学策略激活V2C MXene表面钒价态,实现高容量、高倍率水系锌离子电池

水系锌离子电池使用中性/弱酸性含锌离子水溶液作为电解液,具有高离子电导率、低成本、环保安全和性能优异等优点,被认为是有望取代锂离子电池的下一代二次电池技术,在近年来引起广泛关注。钒基正极材料凭借钒的多重可变价态,理论上可提供高放电容量,是研制高比能量锌离子电池,实现规模商用的理想选择。然而,该类材料普遍存在电子/离子电导率低以及钒溶解等问题,导致电池倍率和循环性能远不如预期。因此,如何利用钒基正极材料实现兼具高比能、高倍率、高稳定性能的锌离子电池,仍是一项尚待解决的科学难题。

深圳大学黄扬、张旺与澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授等人合作针对这一问题利用高导电的新型二维碳化钒(V2CTX)MXene,从根源上解决传统钒基材料电子/离子导电性低的问题;在保V2CTX内部导电框架的基础上,以恒压充电激活其外层钒原子的变价能力,实现高容量、高倍率的锌离子存储,并且探讨V2CTX在锌离子嵌脱过程中发生的价态和结构演变,阐明钒原子价态与储锌性能的联系,为MXene在高性能电池技术的广泛应用奠定基础。相关研究结果发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202008033)上。 具有高导电性和丰富表面化学性质的V2C MXene的出现,为构建高性能锌离子电池提供了巨大的机遇。由大量V-C-V原子堆叠而成的手风琴状V2CTX,拥有大量有序的纳米通道,能有效促进电荷传输,更可作为多分支并联电路,提供高功率输出。尽管二维 V2CTX的表面可以为锌离子的嵌入/脱出提供充足的反应活性位点,然而V2CTX通常仅能提供不合理的低放电容量。因此,目前很少有以V2CTX作为高性能ZIBs正极的报道。该研究团队通过原位电化学活化调控V2CTX中表面钒的化学状态,成功实现了高容量的锌离子存储性能;同时,通过保留V2CTX内部V-C-V多层结构,为快速电化学反应提供丰富、有序的纳米通道,使其具有高电子/离子电导率,进一步实现高倍率锌离子存储性能。通过对活化后V2CTX正极的详细动力学分析,发现其电荷存储机理主要为电容行为,Zn2+扩散系数极高。相关结果直接证明了V2CTX电极外层高价VOX与内层导电V-C-V协同作用所产生的结构优势。这一发现将促进MXene材料表面调控的相关研究,并推动MXene在高性能二次电池中的应用。