通過低共熔氧化方法制備具有雙層結構的釩氧化物納米帶

研 究 背 景

解決釩氧化物正極材料在可充電式水系鋅離子電池（ZIBs）中的結構不穩(wěn)定性和動力學遲緩等限制是當前迫切而具有挑戰(zhàn)的問題。研究表明，將金屬離子預插層到釩氧化物夾層中可以有效擴大層間空間，并能形成柱狀結構，保證了鋅離子電池的長循環(huán)能力。

另外，非均相材料涂層被證明可以提高電化學性能，這歸因于離子吸附位點的增加以及電子導電性的提高，并能防止活性材料的坍塌/溶解。本文通過快速一步低共熔氧化方法成功制備了具有雙層結構的釩氧化物納米帶，得益于預插層Li+和Na+的協(xié)同效應，所構筑電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。本研究工作將為設計、制備先進的釩基鋅離子電池正極材料提供了一種全新的策略。

文 章 簡 介

本文通過快速一步低共熔氧化過程成功制備了雙層結構的釩氧化物納米帶（LiV3O8@NaV3O8，LVO@NVO）。得益于預插入的Li+，Na+以及所構筑的雙層結構，LVO@NVO獲得了更高的贗電容、更快的電荷轉移/離子擴散動力學以及更強健的框架。因此，當作為ZIBs的正極時，LVO@NVO電極展示出驚人的容量（476 mAh g?1@0.05 A g?1）、優(yōu)異的倍率性能（236 mAh g?1@5 A g?1）和卓越的長循環(huán)穩(wěn)定性（2 A g?1循環(huán)2000次，容量保持率高達93.4%）。

本 文 要 點

要點一：正極材料的合成、結構、形貌等物化性質表征

采用快速一步低共熔氧化法制備了Li+、Na+預插層的釩氧化物雙層納米帶。VCl3中的V3+被低共熔體中的硝酸根氧化為V5+，形成釩氧化物納米帶，與此同時，低共熔體中的Li+/Na+嵌入到釩氧化物夾層空間。表征結果表明，所合成的材料由兩相組成，并呈現(xiàn)出雙層的納米帶形貌。分析認為，NVO相在低共熔體中優(yōu)先形核和生長，LVO相外延生長形成雙層結構。

圖1. 材料LVO@NVO的物化性質表征

要點二：正極材料電化學性能的表征

將所合成材料制成電極，與鋅負極匹配構筑鋅離子電池，對其儲鋅性能進行了表征。結果表明，雙層釩氧化物電極（LVO@NVO）表現(xiàn)出極高的電化學活性（476 mAh g?1@0.05 A g?1）、優(yōu)異的倍率性能（236 mAh g?1@5 A g?1）和卓越的長循環(huán)穩(wěn)定性（2 A g?1循環(huán)2000次，容量保持率高達93.4%），其性能遠優(yōu)異對比電極NVO（81 mAh g?1@5 A g?1）。

圖2. LVO@NVO電極的儲鋅性能表征

要點三：正極材料動力學分析

電極材料優(yōu)異的電化學性能與其反應動力學具有密切的聯(lián)系。因此，通過CV、EIS、GITT等對電極的反應動力學進行了分析。結果表明，相比于NVO，LVO@NVO電極表現(xiàn)出更高的贗電容、更快的電荷轉移/離子擴散動力學。

圖3. LVO@NVO電極動力學分析

要點四：正極材料儲能機理探究

最后，結合離位XRD、SEM以及XPS等對LVO@NVO電極的能量存儲機理進行了探究。結果表明，LVO@NVO電極在放/充電過程中，Zn2+、H+共嵌入/脫出，并伴隨金屬釩的還/氧化原以及堿式硫酸鋅（ZSH）微米片在電極表明的沉積/溶解。

圖4. LVO@NVO電極能量存儲機理分析

審核編輯：劉清