祝贺我司客户在水系锌离子电池钒基正极材料方向取得进展

第一作者：王大鹏

通讯作者：温昶

文章名称：《In-situ construction of VN-based heter    ostructure with high interfacial stability and porous channel effect for efficient zinc ion storage》

影响因子：11.2

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.11.017

01老师简介

温昶老师是华中科技大学能源学院副教授，发表第一/通讯作者SCI论文共34篇，其中包括能源领域权威期刊Progress in Energy and Combustion Science（IF 32.0），申请国家发明14项，授权9项。主持国家自然科学基金面上项目/青年基金、国家重点研发计划子课题2项、中国博士后科学基金面上资助/国际交流计划学术交流项目等项目，参与国家自然科学基金国际合作重点基金、科技支撑计划、湖北省重大创新项目等多项。

02论文研究背景

缺乏合适的正极材料成为制约水系锌离子电池应用的挑战之一。首先，正极结构的不匹配导致Zn2+的存储位点有限，这降低了其容量，进而影响了能量密度。其次，Zn2+与正极框架之间存在强烈的静电相互作用，这不仅导致反应动力学缓慢，还可能触发结构的崩溃，进一步限制了AZIBs的循环寿命。因此，探索与Zn2+更兼容且具有坚固结构的正极材料对于实现AZIBs的实际应用至关重要。

03论文亮点/摘要

钒氮化物（VN）作为一种有前景的水系锌离子电池（AZIBs）正极材料，会经历不可逆的相变，伴随着结构变化和持续的钒溶解，这损害了循环稳定性和反应动力学。为了解决这些挑战，我们设计了一种核-壳异质结构（VONC-T，T代表温度），由VN核和多孔碳壳组成。这种结构是通过原位构建合成的，涉及将锌基金属-有机框架（ZIF-8）以优化的比例涂覆在钒基金属-有机框架（MIL-47(V)）上，然后进行热处理。这个过程确保了核与壳之间界面稳定性的高度，有效地减轻了VN在不可逆相变过程中的结构变化，并增强了整体结构稳定性。在热驱动下，壳层中锌的挥发产生了多孔通道效应，这促进了Zn2+的扩散。Zn2+扩散的增强加强了VN高效转化为非晶态VOx的过程，标记为VONC-T-a，这提供了更多的活性位点，因此实现了高比容量。优化的VONC-900-a异质结构展示了在0.2 A g?1下的高可逆容量387.2 mAh g?1，并在20 A g?1下展示了出色的倍率性能，达到274.5 mAh g?1，同时在10 Ag?1下5000个循环后保持了93.3%的容量保持率。密度泛函理论计算证实了核-壳结构中反应动力学的改善。这项研究不仅突出了非晶钒氧化物核-壳异质结构在AZIBs中的潜力，而且还为VN的转化机制提供了新的见解。

04图文解析

图1：在水系锌离子电池（AZIBs）中先进钒氮化物（VN）基正极的设计策略。

(a) 通过使用AZIBs进行灵活的电力调节。(b) 商用钒氮化物失效模型的示意图。(c) 传统构建的钒氮化物异质结构抗失效模型的示意图。(d) 基于高界面稳定性和多孔通道效应的钒氮化物基正极的原位构建。

图2：(a) 合成过程的示意图。不同核壳样品的扫描电子显微镜（SEM）图像：(b) MIL-47(V)，(c) MIL@ZIF-1/2，(d) VONC-900。(e) 和 (f) VONC-900的透射电子显微镜（TEM）图像。(g) VONC-900的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，以及 (h) 核壳结构VONC-900的元素分布图。(i) 不同核壳结构VONC-T的X射线衍射（XRD）谱图。(j) 核壳结构VONC-T的氮气吸附/脱附等温线，插图显示了相应的孔径分布。VONC-900的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）谱图 (k) V 2p。

图3：(a) 示意图说明了基于VONC-T的正极材料的转化反应过程。(b) VONC-900正极在0.2 mV/s扫描速率下，电压范围0.2-1.8 V的循环伏安（CV）曲线。(c) VONC-900在0.5 M电解液中的首次CV循环：乙腈、乙腈+10wt%水和水。(d) 来自密度泛函理论（DFT）计算的电荷密度差异图。(e, f) 非原位XRD图谱。(g) 不同状态下不同钒（V）物种的比例。(h) VONC-900和VONC-900-a在0.2 mV/s扫描速率下的CV曲线。

图4：(a) 倍率性能。(b) VONC-900-a的典型放电/充电曲线。(c) 带有等效电路图（插图）的Nyquist图。(d) VONC-900-a在0.2 A/g下的循环性能。(e) 单个电池能够为显示屏供电。(f) VONC-900-a在10 A/g下的长期循环性能。(g) 与已报道的基于钒的电极相比的Ragon图。

图5：VONC-900-a正极材料的电化学动力学分析：(a) 不同扫描速率下的循环伏安（CV）曲线。(b) Log(i)与Log(ν)的图。(c) 不同扫描速率下的容量贡献比率。(d) 恒电位间歇滴定（GITT）曲线。(e) 对应的锌离子扩散系数（DZn）。(f) 在特定状态下的原位电化学阻抗谱（EIS）。

图6：VONC-900-a正极材料的反应机理：(a) 特定状态下的扫描电子显微镜（SEM）图像。(b) VONC-900-a在首次充电至1.6 V和首次放电至0.2 V时的非原位X射线衍射（XRD）图谱。(c) VONC-900-a在原始状态0.2 V、首次充电至1.6 V和首次放电至0.2 V状态下的非原位X射线光电子能谱（XPS）图谱：V2p。(d) Zn 2p。(e) VONC-900-a经过5000个循环后的透射电子显微镜（TEM）图像。(f) 对应的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，以及插入的选区电子衍射（SAED）图。DFT计算：Zn2+在(g)非晶态VOx和(h)非晶态VOx@C中的扩散能垒。插图显示了相应的扩散路径。(i) VONC-T-a中Zn2+存储机理的示意图。

05本文所用设备

温昶老师课题组在实验中所用双温区助力管式炉由科幂仪器提供，论文中也特别提到安徽科幂仪器有限公司，在此非常感谢老师对科幂仪器的选择和认可。