CM: V基MXene衍生氧化物用于准固态锌/钾离子电池

【研究背景】

随着人们对电动车和大规模能源储存逐渐走高的需求，自带长循环可靠性，低成本和高安全性的储能系统是迫切需要的。可充电水系锌离子电池是因其具有较高的理论容量（820 mAh g^-1），自然界丰富的储量，Zn/Zn⁺较低的氧化电位（-0.76 vs.标准氢电极），不可燃且环境友好的水系电解液以及简单的制作工艺，成为了最有前景的替代者之一。然而，尽管有许多优势，二价锌离子具有较强的库仑相互作用，使其很难在正极材料嵌入和嵌出。探索合适的具有长循环寿命以及高容量的锌离子电池正极材料，是实现高能量密度电池的关键，实际上还有很长的路要走。V基氧化物，尤其是无水五氧化二钒，具有丰富的缺陷以及从V²⁺到V⁵⁺的不同价态的氧化能力，在应用于不同可充电金属离子电池中具有很广泛的应用前景， 如Li⁺， Na⁺，Zn²⁺，Ca²⁺ and Al³⁺电池。然而，V₂O₅还没有被实际应用于可充电电池，主要归因于1）V₂O₅内在的较低的电子导电率；2）金属离子在V₂O₅中的嵌入和扩散很困难；3）在充放电过程中的结构相变因其晶格应变，导致不可逆的结构变化，最终造成了容量损失以及较短的循环寿命。2D MXene材料因其独特的结构，电子性质和化学组成等等被认为是催化和储能应用的最具潜力的替代者。V₂CT_x MXene被认为是一种具有潜力的赝电容材料，得益于钒的多氧化价态可以带来高电荷储存容量。

【成果简介】

最近，山东大学冯金奎教授，在国际知名学术期刊Chemistry of Materials上发表题目为： Micron-Sized Nanoporous Vanadium Pentoxide Arrays for High PerformanceGel Zinc-Ion Batteries and Potassium Batteries 的研究论文。论文介绍了一种通过一步退火处理，以V₂CT_x作为前驱体，得到形貌可控的微尺寸纳米多孔V₂O₅阵列，探究了退火条件对结晶程度，微结构以及电化学性能的影响。

【图文导读】

图1. V₂CT_x MXene衍生的V₂O₅在不同退火温度和升温速率的合成过程示意图。

图2. V₂CT_xMXene衍生的V₂O₅在不同条件下的物理表征：XRD， Raman和XPS。

图3. V₂CT_x MXene衍生的V₂O₅的微观形貌表征：SEM, TEM和mapping分布。

图4. V₂CT_xMXene衍生的V₂O₅在准固态锌离子电池中的应用：电化学性能测试。

图5. V₂CT_xMXene衍生的V₂O₅的动力学分析。

图6. V₂CT_xMXene衍生的V₂O₅应用钾离子电池的电化学性能测试。

【本文总结】

本文设计并合成了一种由V₂CT_x经过一步退火处理而生成的微尺寸的纳米多孔V₂O₅阵列用于准固态锌离子电池与钾离子电池。系统地研究了在不同温度以及升温速率的影响下V₂O₅结晶性，形貌和电化学性能。这种合理的设计的V₂O₅具有独特的2D结构，多孔设计以及赝电容效应，保证了离子的可嵌入性，杰出的结构稳定性与快速的电子传输。作为锌离子电池的正极材料，以自修复的准固态PVA-Zn(CF₃SO₃)₂水凝胶电解质，微尺寸的手风琴状V₂O₅在200 mA g^-1的电流密度下具有358.7 mAh g^-1的可逆容量，在3500次循环后依旧具有279 mAh g^-1的可逆容量。此外，这种优化的的微尺寸的手风琴状的V₂O₅正极材料在应用于钾离子电池时也具有较高的电化学性能。

文献链接：

https://dx.doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c00787

信息来源：MXene Frontier

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