我所利用釩基二維異質結材料構建高性能鋅離子電池

  近日,我所二維材料與能源器件研究組(DNL21T3)吳忠帥研究員團隊發展了一種二維模板離子吸附策略,制備出二維無定形V2O5/石墨烯異質結構新材料,實現了高效離子-電子協同傳輸,獲得了高安全、低成本、高性能水系鋅離子電池。

  

  水系鋅離子電池具有安全性高、成本低、鋅儲量豐富的特點,受到了廣泛關注。開發低成本、高容量正極材料一直是鋅離子電池研究領域的難點。目前,釩基材料具有多價離子反應機制、高容量的特點,是一種有研究前景的正極材料,但其塊體材料存在反應活性位點少、電子導電低、體積膨脹等問題,導致容量低、循環性能差。因此,急需發展高容量、高倍率、長壽命的釩基正極材料,來滿足鋅離子電池應用的需求。

  為解決這一問題,該團隊發展了一種二維模板離子吸附策略,將無定形V2O5均勻生長于高導電的石墨烯表面,獲得了一種超薄V2O5/石墨烯(A-V2O5/G)二維異質結新材料,充分結合無定形V2O5本身豐富的活性位點、離子擴散路徑短的優點和石墨烯高導電性、良好機械穩定性的優點,實現了高效離子-電子協同傳輸,獲得了高容量、高倍率、長壽命、高安全性的水系鋅離子電池。在0.1 A/g的電流密度下,具有489 mAh/g的高容量,遠高于目前報道的鋅離子電池的比容量。同時表現出優異的倍率性能,在大電流70 A/g時,仍保持高達123 mAh/g的容量。此外,以V2O5/石墨烯異質結為正極,構建了平面化微型鋅離子電池,該電池具有高體積容量、長壽命以及良好的集成特性,證明了其作為高安全性、低成本、可穿戴儲能器件的潛力。該工作為發展高效電子-離子協同增強的二維異質結材料提供了新策略,為構建高效電化學能源器件提供了新思路。

  相關研究成果發表在《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)上。上述工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目等的資助。(文/圖 王瀟)

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