我所制备出强耦合效应二维异质结材料应用于长寿命锌离子电池

  近日,我所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组(508组)吴忠帅研究员团队设计并制备出具有强耦合效应层状无定形V2O5/石墨烯异质结新材料,实现了对钒基正极材料的有效保护,极大缓解了钒溶解问题,获得了高安全、低成本、长寿命水系锌离子电池。

  近年来,水系二次锌离子电池凭借其安全性能高、成本低、环境友好和锌储量丰富等优势,在储能设备中展现出巨大的应用前景。钒基材料是一种典型的高容量锌离子电池正极材料,但存在溶解、体积膨胀、电子导电性差等问题,导致器件循环性能差。因此,亟待开发长寿命、高容量、高导电的钒基正极材料。

  为解决这一难题,该团队采用二维模板离子吸附策略,将无定形V2O5均匀自组装在高导电的石墨烯表面,成功获得了一种层状V2O5/石墨烯二维异质结新材料。该材料充分结合了无定形V2O5本征缺陷丰富、离子扩散路径短和石墨烯导电性高、机械稳定性良好的优点以及层状结构的保护作用,缓解了钒溶解问题,实现了高效离子-电子协同传输,该团队利用该材料构建出了超长寿命、高安全的水系锌离子电池。基于无定形V2O5和石墨烯的强协同作用,该电池在0.3 A/g下表现出447 mAh/g的高容量,同时在30 A/g的大电流密度下,循环20000圈,依然保持83.9%的初始容量。同时,该团队采用准原位XPS测试证明了Zn2+的可逆嵌入脱出。此外,该团队以该异质结为正极、锌为负极构建了平面化微型锌离子电池,器件获得了49 mWh/cm3的高体积能量密度、长寿命以及良好的集成特性,证明了其作为安全性能高、成本低的可穿戴储能器件的潜力。该工作为发展高效电子-离子协同增强的二维异质结材料提供了新策略,为构建水系高效微型电化学能源器件提供了新思路。

  相关研究成果发表在《能源存储材料》(Energy Storage Materials)上。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。(文/图 王潇)

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