Small Structures:“三位一体”确保V₂O₅∙nH₂O通过质子化聚苯胺的同时插层和包覆具有优异的储锌能力

钒氧化物拥有多种价态、层状结构和储量丰富等特点,是一种具有广阔前景的水系锌离子电池的正极材料,在近些年受到了研究者众多关注。但研究过程中也发现了一些难点,如不足的导电性、层状结构的不稳定性、缓慢的离子的扩散速率等。因此,相关的结构调控成为了进一步改善钒氧化物在水系锌离子电池中的电化学性能的研究热点。

近日,大连理工大学孟长功教授团队(胡涛教授、张依福副教授)与武汉大学黄驰教授以钒氧化物存在的问题为导向,采用“三位一体”策略设计合成了质子化的聚苯胺同时插层和包覆在V2O5nH2O纳米带的核壳异质结构(记为P-VOH@P),应用于水系锌离子电池的正极,实现了高效的锌离子储存。

通过一步简单易行的冰浴方法,导电聚合物聚苯胺包覆在VOH纳米带表面的同时,也进入到VOH层间起到了扩层的效果,为优化电化学性能提供了三重保障。第一,VOH层间的聚苯胺通过柱撑作用使VOH的层间距由10.6 Å增大到了13.5 Å,加快了Zn2+的迁移速度,减弱了[VO]单元和Zn2+之间的静电吸引。第二,VOH纳米带表面包覆的聚苯胺外壳直接稳定了P-VOH@P异质结构,使结构在电化学过程中更不易坍塌。第三,异质结构中质子化的聚苯胺不仅提高了导电性,还通过可逆的链内电子迁移贡献了部分电容。

图1 (a)P-VOH@P核壳异质结构的形貌照片和合成示意图;(b-c)P-VOH@P 和VOH 在水系锌离子电池中的电化学性能对比;(d)储能过程中的物质变化示意图。

这种方法得到的P-VOH@P核壳异质结构作为水系锌离子电池的正极材料,0.1 A g-1时不仅可以在低负载时达到387 mAh g-1的比容量,高负载时仍有345 mAh g-1的比容量。而在软包电池中的良好表现也展现出了材料在实际应用中的可能性。聚苯胺的加入进一步提高了材料的稳定性,使材料在倍率测试中经过变化的电流密度下的循环后仍可以达到392 mAh g-1的比容量。这份工作不仅提供了一种新的钒氧化物结构调控工程策略,而且设想了聚苯胺在水系锌离子电池中可能的储能机制,为水系锌离子电池的正极材料的设计合成提供了一条可参考的方向。

论文信息:

“Three-in-One” Strategy that Ensures V2O5·nH2O with Superior Zn2+ Storage by Simultaneous Protonated Polyaniline Intercalation and Encapsulation

Jingjing Sun, Yunfeng Zhao, Yanyan Liu, Hanmei Jiang, Chi Huang*, Miao Cui, Tao Hu*, Changgong Meng, Yifu Zhang*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100212

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100212