高能量水系鋅離子電池的新希望：水釩鈉石納米棒正極材料

近日，韓國全南大學Jaekook Kim教授課題組在Nano Lett.上發表了一篇題為「Na2V6O16·3H2O Barnesite Nanorod: An Open-Door to Display a Stable and High-Energy for Aqueous Rechargeable Zn-Ion Batteries as Cathode」的研究性文章。在該文中，研究人員報道了Na2V6O16·3H2O（NVO，水釩鈉石）納米棒作為ARZIBs（水系可充電鋅離子電池）正極材料的最新研究成果。利用原位同步X射線衍射技術，研究人員揭示了充放電過程中的Zn2+脫嵌機制。測試結果表明Na2V6O16·3H2O納米棒正極在40 C（1C = 361 mA g?1）的倍率下，表現出了很高的倍率性能和良好的循環穩定性，超過1000次循環後比容量還保持在80 %以上。在15.8 kW kg?1的比功率下，該電池的比能量可以達到90 W h kg?1。該研究成果為更廣泛地使用鹼土金屬釩氧化物青銅水合物系列材料作為ZIBs的插層體系開闢了可能性。

圖1. 圖文摘要

【 背景介紹 】

水系可充電鋅離子電池（ARZIBs）具備成本低廉、安全性良好和環境友好等諸多優點，與同為鹼金屬離子電池的鋰離子電池和鈉離子電池相比，其在電網儲能應用中更加可行，是一類極具潛力的儲能技術。然而，一般的正極材料在充放電過程中表現出了差的倍率性能和循環壽命，這主要歸因於二價鋅離子在脫嵌過程中會造成電極材料結構的改變且鋅離子擴散緩慢。因此，尋找合適的正極材料對於ARZIBs而言異常重要。

【 全文解析 】

採用快速微波技術合成NVO粉末後，研究人員對其進行了物相及形貌表徵，如圖1所示。XRD圖譜表明合成的NVO樣品具備典型的單斜Na2V6O16·3H2O對稱性，空間群為P2/m。從SEM圖像可以看到樣品明顯的1D納米棒結構，同時結合低分辨TEM及HR-TEM，可以看到納米棒組裝而成的納米束類核殼結構。

圖2.（a）NVO的XRD圖譜；（b, c）SEM及TEM圖像；（d）Na2V6O16·xH2O的晶體結構。

為研究NVO的電化學儲鋅性能，研究人員採用1 M ZnSO4水溶液作為電解質組裝了Zn/NVO紐扣電池，進行了電化學測試。從圖3a所示的初始3圈CV曲線可以看到，正掃時在0.91 V的小肩峰後緊隨著兩個0.746和0.514 V的還原峰，這表明Zn2+嵌入到材料的層狀結構中；反掃時在1.17 V肩峰後存在位於0.75 V和1.002 V的兩個氧化峰，這表明原本嵌入到材料中的Zn2+從層狀結構中脫嵌了出來。首圈正掃時，由於新制電極存在活化現象，因而與其他掃描圈數不同，還原峰發生了些許偏移。然而，後續的CV曲線表現出了良好的重複性和相似性，這表明電極具備優良的電化學可逆性。圖3b為5C下的前兩次充放電循環和2C下的401和500次循環，其中，1C= 361 mA g?1，從中可以看到首次放電比容量為266.6 mA h/g，經活化後，充電比容量為268 mA h/g。

圖3.（a）NVO正極的CV曲線；（b）2C和5C下特定循環數的充放電曲線；（c）相應的500次循環比容量-循環曲線。

為探索ARZIBs在電網儲能中的應用，研究人員探索了電池的高倍率特性，結果如圖4所示。從圖4a可以看到不同倍率對應的平均放電比容量，從高倍率轉至低倍率時，電極恢復到了原來的放電比容量，這表明NVO納米棒正極具備優異的倍率性能。結合圖4b所示的循環特性測試，研究人員證明該NVO電極材料在目前所知的ARZIBs電極材料中電化學性能最好。

圖4.（a）NVO正極的倍率性能圖；（b）不同倍率下的充放電循環圖示。

利用原位同步X射線衍射技術，研究人員闡述了充放電過程中的電化學機理，結果如圖5所示。在未發生電化學反應時，NVO電極的衍射圖樣與製備樣品的峰指數相一致；當發生反應時，衍射峰發生了偏移。當電壓達到0.78 V（掃描數為10）時，在8.06，12.2，16.2，21.2，32.9和 58.5°處出現了一組新的晶面，在掃描過程中該系列峰增長很快，該組峰對應於新生成的Zn4(OH)6SO4·5H2O相，其為一種層狀材料，主要在放電過程中生成，沉積在電極表面。當放電完成（掃描數為34）後，NVO的（001）面間距從7.92?偏移到了7.88?，表明Zn2+嵌入到了NVO材料中。從充電開始到充電結束，發生的變化與放電截然相反，主要為Zn2+在NVO材料中的脫嵌以及Zn4(OH)6SO4·5H2O相的消失過程。結合非原位TEM表徵分析，放電至0.4 V時產生的Zn4(OH)6SO4·5H2O相在圖6b（i，ii）所示的HR-TEM圖像中得以證實。從圖可以看到均勻的顆粒（粒徑小於10 nm）分布在NVO納米棒電極表面，有趣的是在充電完成後，電極表面並未發現鋅鹽顆粒。

圖5.（a）在300 mA/g電流密度下，0.4-1.4 V電壓窗口內的充放電圖示；特定角度區域的原位同步XRD圖譜：（b）6-20°；（c）24-35°；（d）43-53°；（e）57-63°，其中紅色方塊表示Zn4(OH)6SO4·5H2O新相。

圖6.（a）NVO正極放電和充電深度的非原位XRD圖譜；（b）首次充放電後的非原位TEM圖像：（i，iii）低倍TEM，（ii，iv）高倍TEM。

為探索充放電過程中的多步鋅脫嵌機制，研究人員採用了非原位XPS表徵手段，如圖7a所示，放電產物的V2p掃描曲線，其中2p3/2能級可分峰為位於514.9，516.18，517.4和518.7 eV處的子峰，對應於+3，+4，+5價態以及+4氧化態的衛星峰。相反地，充電態的解卷積能級位於516.1，517.3和518.7 eV，分別對應於+4，+5價態以及+4氧化態的衛星峰，證明與電化學反應前環境相似。相應地，在放電過程中，位於1021.8（2p3/2）和1044.9（2p1/2）eV處的Zn2p指紋峰佔主要地位，其在反應之前並不存在，但在充電過程中還有些許殘留。

圖7b所示的Ragone圖可以用於對比NVO正極與已報道ARZIBs正極材料的實際適用性，基於活性質量計算結果，該電極在79 W/kg的比功率下比能量可達到287 Wh/kg且能量損耗非常低；在7900和15800 W/kg的高比功率下，比能量為138.25和90 W h/kg。因此，本文所報道的NVO正極材料性能優良，與迄今為止報道的ARZIB正極材料LiV3O8，Mn2O3，VS2， NVP， H2V3O8和Zn3V2O7(OH)2·2H2O相比，其具備最小的能量損耗。

圖7.（a）首次充放電V2p 和Zn2p的非原位XPS圖譜；（b）不同ARZIBs的Ragone圖。

【 小結 】

在該文中，研究人員開發了一種用於新型高能鋅離子電池體系的層狀Na2V6O16·3H2O正極材料，其在40C的倍率下可逆比容量為128 mA h/g，具備優異的循環穩定性（>1000 cycles）。在非常高的比功率15.8 kW/kg下，比能量可達90 W h/kg，這使得ARZIBs的NVO正極可用於實際應用。此外，研究人員還採用了一系列原位/非原位表徵測試手段，揭示了充放電過程中的多步鋅脫嵌機制。該研究成果為採用金屬鋅負極-ZnSO4水溶液為電解液的水系可充電鋅電池開闢了廣闊的道路。

【 文獻信息 】

Na2V6O16·3H2O Barnesite Nanorod: An Open-Door to Display a Stable and High-Energy for Aqueous Rechargeable Zn-Ion Batteries as Cathode（Nano Lett.，2018，DOI：10.1021/acs.nanolett.7b05403）

供稿丨深圳市清新電源研究院

部門丨媒體信息中心科技情報部

撰稿人丨羅徹斯特

主編丨張哲旭

清新電源投稿通道（Scan）

歡迎讀者加入

? 添加備註：姓名+單位+研究方向

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！