Adv.Energy Mater.：H2V3O8納米線與石墨烯複合材料用作高性能水系鋅離子電池正極
在過去二十年間，為了逐漸摒棄對傳統化石能源的依賴，對於風能、太陽能、潮汐能等可再生綠色能源的開發和利用越來越受到人們的重視。但是當利用這些能源發電的過程中，發電量和功率等會嚴重受到天氣、季節等因素的影響。為了實現這些綠色能源的有效利用，將電能存儲在大型儲能設備中並在需要時輸送到電網中是一種切實可行的方法。作為一種成熟的儲能設備，人們首先想到的是具有高能量密度的鋰離子電池。但是，當被用作大型儲能設備時，除去能量密度以外，電池的成本、壽命和安全性等因素卻更應該被視作首要條件。相較於有機體系鋰離子電池，水系電池在這些方面有著得天獨厚的優勢。近些年，水系電池的發展十分迅速，其中包括一價的鋰、鈉、鉀水系電池和二價的鎂、鋅水系電池等。其中，由於鋅具有低價、穩定性高和理論比容量高（820 mAh g-1）等特點，水系鋅離子電池逐漸受到人們的重視，並被認為可以用於大型儲能設備。但是目前阻礙水系鋅離子電池發展的最大的問題是缺少合適的、具有良好電化學性能的正極材料。雖然鋅離子的半徑（0.74 ?）與鋰離子半徑（0.76 ?）相差無幾，但是由於鋅離子較大的離子質量和較強的正電性，其在晶體內部的傳輸會受到很大的抑制。因此，探索可用的高性能水系鋅離子電池正極材料成為了當前的研究熱點。
近日，美國威斯康星大學麥迪遜分校王旭東教授課題組與吉林大學新型電池物理與技術教育部重點實驗室魏英進教授課題組的研究人員共同開發出一種H2V3O8納米線與石墨烯複合材料H2V3O8NW/graphene，並用作水系鋅離子電池正極。通過簡單的一步水熱合成方法使得H2V3O8納米線與石墨烯混合均勻並且充分地相互接觸，保證了電荷在材料內部能夠快速地傳輸。非原位XRD、Raman、XPS、HRTEM和STEM技術並結合DFT計算系統地研究了H2V3O8在電化學反應過程中的結構變化和反應機理。結果表明，H2V3O8晶體在充放電過程中會發生Zn2+離子與水分子共同嵌入和脫出，並且生成一種具有更大層間距的新相。而更大的層間距能夠允許Zn2+離子在納米線內快速並且可逆地嵌入和脫出。因此，作為水系鋅離子電池正極，H2V3O8NW/graphene複合材料具有很高的比容量，在1/3C倍率下其放電比容量可以達到394 mAh g-1。同時材料也具有優秀的倍率性能和長循環穩定性，在20C的倍率下仍然能夠保持270 mAh g-1的可逆比容量，經過2000次循環之後的容量保持率為87 %。以金屬鋅作為負極材料，電池在34 W kg-1的功率密度下的能量密度為168 W h kg-1。這種具有高能量密度並且安全耐用的水系鋅離子電池在大規模儲能領域具有很大的潛力。
論文第一作者龐強為吉林大學和威斯康星大學麥迪遜分校聯合培養博士生，共同通訊作者為王旭東和魏英進。相關工作發表在Adv. Energy Mater. (DOI: 10.1002/aenm.201800144)上。
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