無(wú)定型-結(jié)晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)氧化釩用于水系鋅離子電池

水系鋅離子電池具備良好的安全性以及相對(duì)低廉的制造成本，在大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用中前景廣闊。氧化釩，作為鋅離子電池正極材料，具備高比容量特性（通常>300 mAh g-1），被廣泛應(yīng)用于電池研究中。然而，電極材料中鋅離子輸運(yùn)動(dòng)力學(xué)緩慢、材料構(gòu)效關(guān)系、儲(chǔ)能機(jī)制尚不明確，制約了釩基鋅離子電池的廣泛應(yīng)用。

近日，東北大學(xué)宋禹副教授、劉曉霞教授和燕山大學(xué)王靜教授合作，采用電化學(xué)方法構(gòu)建了無(wú)定型-結(jié)晶氧化釩異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極，材料中豐富的無(wú)定型-結(jié)晶異質(zhì)界面可實(shí)現(xiàn)快速電荷傳遞，構(gòu)建高性能水系鋅離子電池。

采用電化學(xué)循環(huán)伏安方法在碳電極表面沉積氧化釩納米帶材料，其結(jié)晶度低。借助高分辨透射電子顯微手段，作者發(fā)現(xiàn)電極材料內(nèi)部存在大量無(wú)定型與納米結(jié)晶區(qū)域，形成豐富的無(wú)定型-結(jié)晶異質(zhì)界面網(wǎng)絡(luò)。這與純結(jié)晶態(tài)氧化釩具有顯著區(qū)別。這種新穎的異質(zhì)界面網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)高效電荷傳遞，加速電子、離子在電極表面的電荷轉(zhuǎn)移及電極內(nèi)部的輸運(yùn)。因此，無(wú)定型-結(jié)晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)氧化釩材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，例如高質(zhì)量/面積比容量（516 mAh g-1，~5 mAh cm-2），良好的循環(huán)穩(wěn)定性，以及良好的低溫適用性。

DFT理論計(jì)算及分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示，無(wú)定型-結(jié)晶異質(zhì)結(jié)構(gòu)的V-O配位環(huán)境與純無(wú)定型或結(jié)晶態(tài)材料不同。界面處電荷分布不均，形成局域電場(chǎng)，可能加速界面處電荷傳遞。此外，由于界面處原子重拍，異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極表面具有更多的端基氧，利于Zn2+/H+離子的吸附。比之純相樣品，異質(zhì)界面模型的離子遷移能壘更低，這表明Zn2+/H+在無(wú)定型-結(jié)晶界面處具備更快的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)。

綜上，無(wú)定型-結(jié)晶氧化釩異質(zhì)結(jié)構(gòu)電極具有優(yōu)異的Zn2+存儲(chǔ)性能，為制備高性能水系鋅離子電池提供新機(jī)遇。此外，本工作揭示了低結(jié)晶度材料電化學(xué)性能提升機(jī)制，為制備其他高性能電化學(xué)器件提供了新思路。

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