CEJ：高稳定性V基氧化物/MXene用于水系锌离子电池

锂离子电池（LIBs）具有高能量密度与长循环寿命，已经被广泛地应用于电动汽车和可穿戴电子设备中。然而，近些年，很多的意外事故如手机的自爆和电动车的自燃都与LIBs中有机电解液有关。因此，安全因素与有限的锂资源促使人们探究高安全性和低成本的水系可充电金属离子电池。可充电水系锌离子电池（RAZIBs），作为一种水系电解液电池在大规模储能应用中有巨大潜力，并且因其在水中具有杰出的稳定性，较低的氧化还原电位（-0.762 V vs 标准氢电极）和高容量（820 mAh g^-1）得到了广泛的关注。

截至目前，钒基（V）基复合物作为水系锌离子电池的正极材料得到了广泛的研究，这得益于钒的多价态，低成本以及多样的晶体结构。其中，层状的氧化钒（H₂V₃O₈）在钠，镁，锂和锌离子电池中表现出优异的电化学性能。然而，在重复的Zn2+嵌入/脱出过程中，其内在的较差的导电性与结构变化导致了较差的倍率性能与循环稳定性。

因此，我们可以将其与2D导电材料结合进而提升结构稳定性。2D纳米片与活性材料以“面对边缘”或“面对面”的形式接触，这可以促进电子与离子的快速转移，进而提升倍率性能。MXene，作为一种独特的2D材料，具有亲水性的表面和高导电性，这使MXene在很多非水系电池系统中具有优异的性能。然而，在水系锌离子电池中，MXene作为高导电的添加剂在钒基正极中还没有被报道。

最近，南京林业大学Changtong Mei教授与美国路易斯安那州立大学Qinglin Wu教授课题组在国际高水平学术期刊 Chemical Engineering Journal上发表题目为： Highly Stable H₂V₃O₈/Mxene Cathodefor Zn-Ion Batteries with Superior Rate Performance and Long Lifespan的研究论文，设计了一种H₂V₃O₈与2DMXene的复合物，具有增强的导电性与更快的电子扩散速率，进而产生了改善的倍率性能与延长的循环寿命。

图1. H₂V₃O₈纳米线/MXene复合电极的结构于形貌表征。

图2. H₂V₃O₈纳米线/MXene复合电极在水系锌离子电池中的电化学性能测试。

图3. H₂V₃O₈纳米线/MXene复合电极的电化学动力学分析。

图4. H₂V₃O₈纳米线/MXene复合电极的储锌机理分析。

图5. 所组装的固态锌离子电池的电化学性能。

本文通过直接在MXene 2D纳米片上直接生长无取向的H₂V₃O₈纳米线，制备了一种新型的H₂V₃O₈/MXene复合物，作为水系锌离子电池的正极材料，具有高度的稳定性。与纯H₂V₃O₈相比，所制备的复合电极具有更大的比容量，在0.2 A g-1的电流密度下，具有365.3 mAh g^-1的可逆容量，更高的倍率性能，在20 A g-1的电流密度下具有73.1 mAh g^-1的容量，并且可以进行5600 次稳定的充放电循环。2D MXene不仅使H₂V₃O₈直接生长，还可以与H₂V₃O₈纳米线结合形成具有高导电性的复合结构。此外，所组装的柔性固态锌离子电池可以在一些极端条件下稳定工作（如-18℃）。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126737