Advanced Energy Materials:层间“死锌”“柱”力二硫化钒高稳定储锌

水系锌离子电池凭借高安全、低成本、环境友好以及高理论容量等优势受到广泛关注。然而,二价锌离子与宿主材料之间的强静电相互作用导致离子扩散动力学缓慢和电极结构退化,严重制约锌电池技术进一步发展,设计能够快速、稳定储锌的高性能正极材料仍是一大挑战。层状二硫化钒同时结合了过渡金属硫属化物的大层间距/高电导性和钒基化合物丰富的钒氧化还原活性,是潜在的水系锌离子电池正极材料,但面临结构稳定性较差的问题。现阶段关于二硫化钒正极的研究主要集中于形貌/结构设计以改善其循环稳定性,迫切需要从内在反应机理出发,合理调控二硫化钒晶格中的锌离子脱/嵌行为,进而提高其储锌性能。

近日,南开大学焦丽芳教授和北京科技大学刘永畅教授等研究人员报道了一种由纳米片组装的1T-VS2纳米球用作高性能水系储锌正极,通过简单地调控充电截止电压产生了二硫化钒层间锌离子“支柱”,并证明这些层间“支柱”在长循环过程中起到稳定二硫化钒层结构的作用。这重新定义了传统认知中“死锌”的概念,而且在不同电解液体系中证明了该“层间支柱”机理的普适性。

研究人员采用一步水热法制备了1T-VS2胶质纳米球,这种富含表面碳氧基团的1T-VS2分级结构拥有丰富的活性位点、良好的亲水性、高电子/离子电导和稳定的结构。得益于充放电调控和纳米工程的双重策略,1T-VS2纳米球正极表现出优异的倍率性能(0.1 A g−1和5 A g−1下可逆容量分别为212.9和102.1 mA h g−1)和突出的循环寿命(2 A g−1下循环2000次后容量保持率为86.7%)。另外,动力学测试和DFT理论计算证实了材料具有快速的锌离子/电子传输能力;系统的非原位表征揭示在层间锌离子支柱的保护作用下,锌离子在VS2层间的嵌入/脱出行为具有高度可逆性。最后,将1T-VS2纳米球正极、聚乙烯醇/三氟甲烷磺酸锌水凝胶电解质、锌箔负极匹配组装柔性准固态锌离子电池,在可穿戴电子设备领域展现出一定应用前景。这项工作为设计长寿命层状储锌正极材料提供了新思路。

论文信息:

Unexpected Role of the Interlayer “Dead Zn2+” in Strengthening the Nanostructures of VS2 Cathodes for High-Performance Aqueous Zn-Ion Storage

Yan Tan, Shengwei Li, Xudong Zhao, Yao Wang, Qiuyu Shen, Xuanhui Qu, Yongchang Liu*, Lifang Jiao*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202104001

原文链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202104001