ACS Sustain. Chem. Eng.：碳修饰制备高稳定性V2O5电极用于水系锌离子电池
ACS Sustain. Chem. Eng.：碳修饰制备高稳定性V2O5电极用于水系锌离子电池
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【研究背景】
随着能源危机和环境污染的加剧，开发新型储能设备势在必行。近年来，水系锌离子电池由于具有无毒性、低的氧化还原电位和丰富的金属锌资源等优点进入了人们的视线。然而，Zn 2+ 与宿主材料的框架之间的强静电相互作用阻碍其电子转移，导致了缓慢的反应动力学。因此，有必要设计出高容量、长循环寿命的理想正极材料。钒基氧化物因其多样的晶体结构一直是人们研究的热点。主要包括隧道型、层状结构、NASICON型和尖晶石结构。其中，层状的V 2 O 5 正极材料具有优异的Zn 2+ 存储性能。
【工作介绍】
近日沈阳工业大学武祥教授团队以壳聚糖为原料，通过碳改性途径制备了高稳定性的V 2 O 5 材料并用于水系锌离子电池的正极。 碳修饰的V 2 O 5 微球由相互连接纳米片组成。形成的多孔结构提供了足够的内部通道来缓冲循环过程中的体积变化。当电流密度为0.2 A g -1 时，Zn//V 2 O 5 @0.25C电池实现了532.4 mAh g -1 的比容量。它们在5 A g -1 的大电流密度下循环3000次后容量保持率为86 %。相关成果以题为 “General carbon modification avenue to construct highly stable V 2 O 5 electrode for aqueous zinc ion batteries” 发表在能源领域著名期刊 ACS Sustainable Chemistry & Engineering (2023, DOI:10.1021/acssuschemeng.3c02379)上。2022级博士研究生刘伊同学为该论文第一作者。
【内容表述】
本文报道了壳聚糖辅助制备了碳包覆的V 2 O 5 微球作为水系锌离子电池的正极。材料外层的非晶碳薄膜提高了电极材料的导电性，并为Zn 2+ 的存储提供了许多位点。如图1，我们首先对样品进行了XRD，XPS以及拉曼结构表征。多种表征证明了壳聚糖成功地包覆在V 2 O 5 表面。接着我们对其形貌结构及其元素分布做了研究。如图2，纳米片构成的微球结构大大缩短了离子的扩散路径，有利于Zn 2+ 的插层。TEM和HRTEM清晰地显示了样品外表面的均匀碳层。它的存在缓解了V 2 O 5 材料在电解液中的溶解问题，是保证电极材料持续稳定充放电的重要原因。
图1 样品的结构表征（a）XRD图（b）拉曼光谱（c-e）XPS测试（c）V 2p 和O1s（d）C 1s（e）N 1s
图2 形貌表征 (a, b) V 2 O 5 样品低倍扫描电镜 (c, d) V 2 O 5 @0.25C 样品低倍扫描电镜 (e, f) V 2 O 5 @0.25C 样品TEM和HRTEM结构（g-j）元素映射图
Zn//V 2 O 5 @0.25C和V 2 O 5 电池的电化学表征结果显示（图3），由于碳材料的引入，电池在小电流和大电流密度下都表现出优异的电化学性能。包覆0.25 g壳聚糖的V 2 O 5 的正极材料在0.2 A g -1 电流密度下可以输出532.4 mAh g -1 的比容量。在5 A g -1 的电流密度下，电池循环3000 圈之后具有86 %的容量保持率。没有包覆壳聚糖的样品展示出较差的电化学性能。
图3 电化学性能 (a)前5圈CV曲线 (b) 在0.2 A g -1 下的 循环性能 (c) GCD曲线 (d) 倍率图 (e) 5 A g -1 下的长 循环性能
接下来，我们对电化学动力学进行了研究（图4）。随着扫描速率的增加，电容的贡献从81.9 %增加到93.2 %，这种行为有利于提高电池的倍率性能和容量。利用GITT计算了Zn 2+ 在电极中嵌入/脱出过程中的离子扩散系数。计算得到V 2 O 5 @0.25C电池的 Dzn 为 10 −6 ~ 10 −9 cm 2 s −1 ，具有优异的速率性能。图5反应了V 2 O 5 @0.25C电池在充放电第二圈时晶体结构的演变过程。非原位XRD中一系列高度可逆的峰证明了结构演变的可逆性。从循环过程中电极材料的TEM和HRTEM可以清楚地看出样品的形貌仍保持完整的微米球，充分体现了碳层对V 2 O 5 的保护作用。
图4 （a）不同扫描速率下的CV曲线（b）从CV扫描中提取的特定峰值电流下的log（i）和log（v）拟合图 （c）电容贡献率（d）GITT曲线 （ e）电化学阻抗图（f）拉贡图
图5 （a）在充电/放电状态下不同位点XRD图（b，c）样品XPS（d，e）充电1.6 V时TEM和HETEM（f，g）放电0.2 V时TEM和HRTEM
综上所述，我们以壳聚糖为碳源，成功地制备了碳包覆的V 2 O 5 微球作为水系锌离子电池的正极。碳层提高了电极材料的导电性，并为Zn 2+ 提供了许多存储位点。同时，纳米片构成的微球结构大大缩短了离子的扩散路径，有利于Zn 2+ 的插层。组装的Zn//V 2 O 5 @0.25C电池具有高的比容量、优越的倍率性能和循环稳定性。此外，它们也表现出高的能量密度和功率密度。这项工作为设计和开发水系锌离子电池的高性能正极材料提供了思路。
Yi Liu, Ying Liu, Xiang Wu * , Young Rae Cho * , Facile carbon modification avenue to construct highly stable V 2 O 5 electrode for aqueous zinc ion batteries. ACS Sustainable Chemistry & Engineering , 2023, DOI:10.1021/acssuschemeng.3c02379.
武祥教授简介
武祥教授从事半导体微纳材料的控制组装及其在环境和能源领域的研究。已在Advanced Materials, Nano Energy, Small, Journal of Energy Chemistry等期刊发表SCI收录论文200余篇。论文引用次数超过8000次，H 因子50。2009年、2012年和2016年先后三次获得黑龙江省自然科学二等奖。2012年和2015年获得黑龙江省高校自然科学一等奖和二等奖各一项。博士毕业论文被评为2010年哈尔滨工业大学第12届优秀博士论文。出版专著一部。 为德国Wiley公司出版书籍Flexible supercapacitor撰写一英文章节。目前担任美国科学出版社期刊Science of Advanced Materials副编辑， Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics国际编委 。国际期刊Nano-Micro Letters编辑。作为客座主编在Battery & Supercaps, Chemical Record, Chinese Chemical Letters，Nanomaterials，Journal of Nanoelectronics and Optoelectronics，Science of Advanced Materials和Journal of Nanomaterials期刊等共组织10期专题。课题组主页： wuxiang.polymer.cn 。 课题组全年招聘优秀博士毕业生。要求研究方向超级电容器，水系离子电池，电催化和自驱动微纳系统等。联系方式： wuxiang05@sut.edu.cn
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