|
■ 围绕科研 服务科研 特别说明： 感谢您的关注，因文章由英文论文翻译过来，如存在误差，请您致电联系小编，小编将第一时间修正。 联系电话：15357933222（微信同） 技术支持：15311208010（微信同）  1 摘要简介 钒基插层材料在水系锌离子电池（ZIBs）中引起了相当大的关注。然而，由于强静电相互作用，锌离子的层间扩散缓慢，严重限制了其实际应用。本文制备了具有扩展的层间空间和优异结构稳定性的氧空位富集V2O5结构（Zn0.125V2O5·0.95H2O纳米花，Ov-ZVO），用于制备优异的ZIBs。原位电子顺磁共振（EPR）和X射线衍射（XRD）表征表明，由于部分逸出的晶格水，在相对较低的反应温度下产生了大量的氧空位。原位光谱和密度泛函理论（DFT）计算表明，氧空位的存在降低了Ov -ZVO中Zn2+的扩散势垒，削弱了Zn和O原子之间的相互作用，从而有助于获得优异的电化学性能。Zn||Ov-ZVO电池在0.1 A g−1时显示出402 mAh g−1的非凡容量，在2673 W kg−1时表现出193 Wh kg−1的惊人能量输出。作为概念验证，Zn||Ov -ZVO软包电池可以在0.5A g−1下达到350 mAh g−1的高容量，显示出其巨大的实际应用潜力。这项研究为氧空位纳米结构的形成和产生的氧空位改善电化学性能提供了基本的见解，为缺陷功能化的先进材料开辟了新的途径。 2 背景介绍 如今，人们越来越关注用于大规模能源应用的可充电电池的开发。将电池与太阳能或风能等间歇性可再生能源相结合，将能够持续生产绿色能源，从而减少全球碳足迹。尽管与替代电池系统相比，锂离子技术在能量和功率密度方面具有明显优势，但锂的地壳丰度有限以及与锂离子电解质易燃性相关的安全问题限制了其在大规模储能中的应用。在寻求更安全、更实惠的储能解决方案的过程中，锌离子电池（ZIBs）获得了相当大的关注。鉴于锌阳极的高理论容量（820 mAh g−1）及其在水性环境中的良好可逆性，正在大力开发提供高容量和长期稳定性的合适阴极材料。 3 图文解析 为了证明Zn||Ov- ZVO电池在8 mg cm−2（阴极）的高质量负载下的实际应用潜力，组装了软包电池（示意图如图1a的插图所示）。Zn||Ov- ZVO软包电池在2 A g−1下可提供255 mAh g−1的稳定容量，在200次循环后可提供91.15%的高容量保持率。值得注意的是，Zn||Ov-ZVO电池在0.5 A g−1时表现出350 mAh g−1的大容量，即使在8 mg cm−2的高质量负载下具有2.8 mAh cm−2（图1b）的高面积容量。此外，软包电池可以很容易地点亮带有USTC标志的LED（2 V），并在≈5分钟内提供持续稳定的能量输出（图1b插图），这证明了该电池系统的潜在适用性。令人惊讶的是，组装后的柔性电池在弯曲至90°和180°后可以保持卓越的容量（在3 A g−1时为200 mAh g−1）（图1c）。在折叠和展开五次后，软包电池在200次循环后表现出75%的容量保持率，这表明Zn||Ov -ZVO电池具有良好的灵活性。这些优异的结果突出了Zn||Ov-ZVO电池的诱人应用前景，特别是在柔性储能系统中。  图1 所构建的Zn||Ov-ZVO软包电池的实际应用 测试结果分析 利用原位EPR和XRD研究了ZVO中氧空位的产生机理。如在140–330°C的不同温度下煅烧的ZVO的EPR光谱所示（图2g），在所有EPR光谱中，在g=2.01处存在一对对称峰，这证实了140–330℃内出现了氧空位。同时，这些对称峰的强度与氧空位的含量成比例，随着温度的升高而变化。虚线框中的部分EPR光谱在图2h中被放大，相对于140°C（I/I140）（图2h），不同温度下的峰值强度很好地反映了随着温度从140°C上升到240°C，氧空位的相对含量不断增加。有趣的是，氧空位的相对含量在240-270°C的温度范围内快速增长，当温度超过270°C时略有下降。为了探索氧空位含量随不同温度变化的原因，应用原位XRD跟踪了ZVO在煅烧过程中的热致结构演变。原位XRD图谱（图2i）显示，在从室温上升到200°C的温度过程中，除了（001）面的衍射峰强度连续增加外，所有衍射峰几乎保持不变，这意味着（001）面在更高的温度下具有优选的取向。考虑到原位EPR的结果，在240°C以下，ZVO中氧空位的稳定增加可归因于层间结构的轻微变化，而V-O层的晶格畸变是由晶格水的去除引起的。当温度超过260°C时，（001）面的衍射峰迅速减小甚至消失。这表明由于ZVO夹层中晶格水的连续流出，导致夹层结构的坍塌和三斜晶格的破坏。此外，ZVO层状结构中的Zn2+起着重要作用，这有助于在氧缺陷形成过程中保持层状结构。基于此分析，可以得出结论，退火温度不应超过240°C，以合成稳定的富含氧空位的ZVO结构。  图2 g）在140-330°C的不同温度下煅烧的ZVO的原位EPR光谱。h）图g（左）的放大部分EPR光谱和不同温度下峰值强度比的演示（右）。i）煅烧过程中ZVO的原位XRD图谱 原位实验细节 在稳态高磁场设备上收集了原位EPR光谱。用Bruker EMX plus 10/12进行电子顺磁共振测试。 样品的X射线衍射图通过Philips X’Pert Pro X射线衍射仪在Cu Kα辐射（1.5418Å）下获得。 4 结 论 本文通过为ZIB引入氧空位和层间金属离子制备了Ov-ZVO阴极，显示出优异的Zn2+存储性能。原位EPR和XRD表明，晶格水的脱水有助于在相对较低的温度下在Ov-ZVO中产生更多的氧空位。原位XRD和XANES揭示了在充放电过程中氧空位的影响下Ov-ZVO的可逆结构演变。同时，DFT计算验证了Ov-ZVO中较低的Zn2+扩散势垒，以及由于氧空位的引入而导致的Zn和O原子之间较弱的相互作用。氧空位的引入显著提高了电化学性能，因此所制备的Ov- ZVO阴极实现了高容量（在0.1A g−1下为402 mAh g−1），并表现出优异的循环稳定性，在2 A g−1下循环2000次后仍保持228 mAh g–1。这项研究为氧空位的形成过程及其在原子水平上增强Zn2+嵌入/脱嵌中的作用提供了全面的见解。我们坚信，这项研究为ZIB缺陷工程阴极材料的研究和开发提供了指导策略。 原文链接： Jia-Jia Ye, Pei-Hua Li, Hao-Ran Zhang , et al. Manipulating Oxygen Vacancies to Spur Ion Kinetics in V2O5 Structures for Superior Aqueous Zinc-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater.2023, 2305659 DOI：10.1002/adfm.202305659 https:///10.1002/adfm.202305659 |
|
|
