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Angew. Chem. :氮化碳柱撐釩酸銨助力高性能水系鋅離子電池2023-07-14
近年來,能源危機和環境惡化等一系列問題促進了儲能系統的發展。水系鋅離子電池作為一種先進的儲能系統,具有高安全性、低成本等優點,受到了研究人員的普遍關注。釩基氧化物具有可調節的層狀結構、高理論容量等優點,被認為是理想的鋅離子電池正極材料之一。然而,釩基正極仍然面臨層間距狹窄、本征電導率低和釩溶解等挑戰,嚴重降低了其可逆容量和循環壽命。在眾多可行性方案中,將離子預嵌入層狀釩酸鹽的夾層中作為“支柱”可以顯著增大層間距,增強離子轉移動力學和結構穩定性。

近日,內蒙古大學武利民教授、谷曉俊教授、郭艷副教授以及北京化工大學于樂教授合作,通過自參與水熱反應策略合成了氮化碳(C3N4)插層的、兼具大層間距和豐富氧空位的釩酸銨(NVO)納米帶,作為高性能水系鋅離子電池正極材料。值得注意的是,C3N4納米片可以作為氮源被H2O2刻蝕并釋放出NH4+離子,促進V2O5形成層狀NVO。更重要的是,刻蝕的過程中形成的超微C3N4納米片可以原位插入到層狀結構中,增加了層間距。此外,柱撐結構可以改變釩離子的化學環境并產生豐富的氧空位,有效提升了材料的導電性。

 

 

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得益于C3N4插層形成的柱撐結構以及豐富的氧空位,NVO正極的離子插層/脫嵌動力學和結構穩定性明顯提升。正如預期的那樣,所制備的NVO正極在20 A g-1的大電流密度下顯示出高達194.7mAh g-1的比容量,表現出優異的倍率性能。此外,NVO正極在10 A g-1的電流密度下可以穩定循環10000次以上,顯示出良好的循環穩定性和可逆性。

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電化學阻抗譜以及恒流間歇滴定測試結果表明,大層間距以及豐富的氧空位可以有效提升NVO的導電性和電荷/離子傳輸動力學。此外,基于密度泛函理論的計算結果表明,NVO可以更好的與鋅結合,加速電極/電解液界面處的電荷轉移。

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非原位的X射線衍射和X射線光電子能譜結果表明,NVO在完全循環放電/充電之后,其晶型結構和元素價態未發生明顯變化,顯示出良好的結構穩定性和可逆性。

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基于上述結果,這種C3N4插層的、兼具大層間距和豐富氧空位的NVO正極材料表現出顯著增強的電荷/離子傳輸動力學和結構穩定性,可以大幅提升水系鋅離子電池的倍率性能和循環壽命。該工作為解決釩基正極材料的固有問題提供了一種新策略。

文信息

Carbon Nitride Pillared Vanadate Via Chemical Pre-Intercalation Towards High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries

Yue Xu1,?, Guilan Fan1,?, Peng Xiao Sun3,?, Yan Guo1,*, Yangyang Wang1, Xiaojun Gu1,*, Limin Wu1,2,*, and Le Yu3,*

文章的共同一作是內蒙古大學的博士生徐月、樊桂蘭博士和北京化工大學博士生孫鵬宵。第一單位是內蒙古大學。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202303529

 

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