Advanced Functional Materials：Ti3C2Tx纳米片和水合钒酸铵纳米带为水性锌离子电池的柔性阳极

一、文章概述

开发无锌金属负极材料是解决严重阻碍锌离子电池发展的锌金属枝晶问题的有效策略。然而，锌无金属负极材料的研究还处于起步阶段，更重要的是，低能量密度严重限制了其实际应用。文章提出并研究了一种新型的(NH4)2V10O25·8H2O@Ti3C2Tx (NHVO@Ti3C2Tx)薄膜阳极，用于构造摇椅式ZIB。NHVO@Ti3C2Tx电极容量为514.7mAhg−1，在0.1Ag−1时低电位为0.59V（vs Zn2+/Zn）。Ti3C2Tx的引入不仅提供了互连的导电网络，而且稳定了NHVO纳米带结构，使其具有较长的循环寿命(在5.0 A g−1循环6000次后保持84.2%)。作为概念验证，一种不含锌金属的全电池被成功演示，与所有报道的含水摇椅ZIBs相比，该电池的最高容量为131.7 mAhg−1(含阳极和阴极质量)，能量密度为97.1Whkg−1。此外，获得了6000次循环的长周期，容量保持率高达92.1%，令人印象深刻。这项工作预计将为“摇椅”ZIBs的V型材料提供新的动力。

二、图文导读

图1所示.a) NHVO@Ti3C2Tx电极制备工艺示意图。b) SEM, c) TEM, d) HRTEM(插图显示NHVO的SAED)。e) NHVO纳米带的AFM图像。(插图显示了沿着e. f . g .线的相应厚度轮廓)分层Ti3C2Tx纳米片的TEM图像。

图2.a) NHVO@Ti3C2Tx混合膜表面的SEM图像。b、c) NHVO@Ti3C2Tx混合膜的横截面SEM图像。d) x射线衍射模式。e)拉曼光谱。NHVO谱显示出预期的信号，包含钒键VO(938和1006 cm- 1)、VO V (686 cm- 1)和VO (508 cm 1)的伸缩振动峰。Ti3C2Tx光谱,Tx地区约330-470cm−1和C地区550和750cm−1主要代表组织表面振动和碳振动,分别和两个截然不同的感染高峰大约202和720cm−1是A1g(钛、O、C)和A1g (C),分别。f) NHVO@Ti3C2Tx杂化膜的V 2p、Ti 2p XPS谱。g) NHVO@Ti3C2Tx的元素映射。h)  NHVO@Ti3C2Tx的光学柔韧性图像。

图3.NHVO@Ti3C2Tx电极的电化学动力学分析。a) NHVO@Ti3C2Tx的各种CV曲线。b)每个氧化还原峰的对数(i)与对数(v)图。c)电容控制和扩散控制的贡献比。d) CV剖面显示电容对总电流的贡献(粉色区域)在0.2 mV s 1。e) GITT在0.1 A处弯曲。f) Zn2+扩散系数(DZn)。

图4.NHVO@Ti3C2Tx电极反应机理的研究。a)第三个循环在0.1 a g1时的GCD剖面和b)选定状态下的非原位XRD谱图。c e) Zn 2p、V 2p和O 1s的高分辨率XPS谱。f) NHVO@Ti3C2Tx电极形态发育的SEM图像。g) Zn2+离子的存储机理图。

图5.NHVO@Ti3C2Tx//ZnMn2O4全电池的电化学性能。a) NHVO@Ti3C2Tx//ZnMn2O4满电示意图。b) NHVO@Ti3C2Tx阳极和ZnMn2O4阴极在0.1 A g 1下的GCD曲线。c)率的性能。d) NHVO@Ti3C2Tx//ZnMn2O4电池的GCD曲线(基于阳极质量)。e) NHVO@Ti3C2Tx//ZnMn2O4电池(以阳极和阴极质量为基准)在0.1 A g 1下的GCD曲线。f)一些报道的摇椅式锌离子满电池的能量密度比较。g) NHVO@Ti3C2Tx//ZnMn2O4全电池在2.0 A g下的循环性能。

三、全文总结

综上所述，作者首次合成了一种新型的NHVO@Ti3C2Tx杂化薄膜材料，并对其进行了研究。制备的NHVO纳米带具有良好的分散性，具有超薄的形貌特征，仅在14 nm左右。当与2D Ti3C2Tx纳米片结合时，获得了柔性NHVO@Ti3C2Tx混合膜电极，并表现出快速的离子和电子传输。由于NHVO的晶体结构和Ti3C2Tx纳米片的辅助，NHVO@Ti3C2Tx混合膜电极可以提供高达514.7 mAh g 1的高容量，更重要的是，可以在5.0 A g 1下进行6000次循环，保留率为84.2%。此外，我们通过配对 NHVO@Ti3C2Tx 作为阳极和 ZnMn2O4 作为阴极来验证高性能“摇椅”锌离子全电池，其提供的最高比容量为 131.7 mAh g-1（基于总质量）和 与所有报道的水性“摇椅”锌离子全电池相比，最大能量密度为 97.1 Wh kg-1。值得注意的是，在2.0 A g 1下循环6000次后，充满电的电池显示出92.1%的高容量保留率。因此，这项工作将为在储能应用中用于水性锌的高密度锌无金属阳极材料的探索提供新的见解。

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