科學島團隊在水系鋅離子電池電極材料研究方面取得進展

　　【儀表網 研發快訊】近期，中科院合肥物質院固體所趙邦傳研究員團隊在高性能水系鋅離子電池電極材料研究方面取得系列進展，通過磁場 -電化學缺陷工程協同作用獲得了一種超長壽命的 VS2基水系鋅離子電池，并探索了 VS2在柔性自愈合鋅離子電池中的應用。相關結果發表在 Materials Horizons 和 Small上。
 

　　水系電池因其低成本和高安全性在大規模儲能領域具有廣闊的應用前景，是鋰離子電池的有力補充。其中，水系鋅離子電池因鋅金屬高的理論比容量 (820 mAh g-1)和低的氧化還原電位 (-0.76 V vs. SHE)而備受關注。然而，通常鋅離子電池正極材料的電化學性能有限，負極鋅枝晶生長現象嚴重，使得鋅離子電池的能量密度偏低，循環壽命偏差。因此，設計制備高能量密度正極材料和抑制鋅枝晶的生長是開發高性能鋅離子電池的兩個關鍵因素。在此基礎上，進一步制備柔性電池可有效拓寬儲能器件的應用領域和范圍。
 

　　鑒于此，研究人員采用一步水熱結合高充電截止電壓下原位電化學缺陷工程制備了一種具有手風琴狀的VS2材料。該VS2材料晶格發生了有益的畸變，具有豐富的空位。材料獨特的結構解鎖了Zn2+沿c軸方向的傳輸，實現Zn2+沿ab面和c軸方向的3D傳輸，并可有效減小鋅離子與VS2之間的靜電相互作用，材料的比容量和倍率性能較為優異。同時，研究人員通過引入磁場的方法調節了電池中鋅離子的運動方式，抑制了鋅枝晶的生長，實現7400圈的超長循環壽命。
 

　　此外，團隊通過簡單的水熱方法在柔性碳泡沫(CF)基底上生長了VS2納米片陣列，制備了柔性VS2電極材料(VS2@CF)，探索了VS2在柔性鋅離子電池方面的應用。得益于CF的高導電性和3D多孔骨架結構，VS2@CF表現出優異的倍率性能(5 A g-1時172.8 mAh g-1)和循環穩定性(1 A g-1下1000次循環后130.2 mAh g-1)。更重要的是，由VS2@CF正極、CF支撐的Zn負極和凝膠電解質組裝的準固態電池VS2@CF//Zn@CF同樣表現出優異的倍率性能( 0.2 A g-1時261.5 mAh g-1，5 A g-1時149.8 mAh g-1)和循環穩定性(1 A g-1下100次循環后126.6 mAh g-1)。VS2@CF//Zn@CF全電池還表現出良好的柔韌性和自愈性能，在不同彎曲角度下都具有較高的比容量，被剪開能迅速自愈合，并且愈合后能正常充放電。
 

　　合肥物質院固體所博士研究生毛云杰為論文第一作者，高能物理研究所散裂中子源科學中心司建國博士后對論文的部分結果進行了理論解釋。該研究工作得到國家重點研發計劃、安徽省重點研發計劃、合肥大科學中心高端用戶和合肥物質院院長基金等項目的支持。
 

　　圖 1. Zn-VS2 AZIB的結構示意圖及電化學性能： (a) 結構示意圖； (b) 循環性能； (c) 富含空位 VS2與其它類似結構正極材料的 Ragone圖； (d)由 Zn-VS2電池供電的 LED燈光學照片。
 

　　圖 2. ( a)不同彎曲角度下的 VS2@CF//Zn@CF光學照片。 VS2@CF//Zn@CF電池的( b)循環性能和( c)倍率性能；( d)不同彎曲角度下的 GCD曲線；( e)由 VS2@CF//Zn@CF準固態電池點亮的商用 LED燈條。