發布時間：2023年4月11日
已經查看了306次
中國科學技術大學國家同步輻射實驗室教授宋禮團隊基于插層型鋅離子電池正極材料的同步輻射譜學表征，提出了插層劑誘導Vt2g軌道占據的概念，開發了具有快速充電性能的銨根插層五氧化二釩鋅離子電池正極材料。相關研究成果以Intercalant-induced Vt2gorbital occupation in vanadium oxide cathode toward fast-charging aqueous zinc-ion batteries為題，發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。
水系鋅離子電池（ZIBs）憑借安全、無毒以及較高的理論容量而成為最具潛力的可持續儲能技術之一。在眾多ZIBs電極材料中，層狀釩氧化物具有晶體結構可調、容量高等特點，是現階段廣泛研究的正極材料。基于離子或分子預插層策略可以有效解決正極材料的晶格空間不足和電子傳導性低等問題，從而進一步提升電池性能。然而，目前對插層型正極材料的研究聚焦于層間空間膨脹對容量的貢獻。因此，發展先進的原位表征技術，從原子軌道方面深入理解由插層劑引起的電極材料內在結構變化是未來高性能正極材料設計和開發的關鍵。
本工作發揮同步輻射光源的綜合性實驗平臺的優勢，結合多種原位與非原位同步輻射譜學實驗技術，揭示了銨根離子（NH4+）插層后，V2O5中V 3dt2g軌道占據的變化以及充放電過程中的可逆演變規律。研究發現，NH4+插層在較大程度上誘發了V-O鍵的結構畸變，進一步導致電子結構的重排，促使Vt2g軌道中3dxy空態的占據。這種Vt2g軌道占據提高了材料的電導率，聯合NH4+插層后拓寬的層間距，從而顯著加速了鋅離子（Zn2+）的轉移，實現了鋅離子電池的超高倍率性能。測試結果表明，在電流密度為200 C時，銨根插層五氧化二釩（NH4+-V2O5）正極材料的比容量仍維持在101.0 mA h g-1，且充電時間僅需18 s。該工作從原子軌道方面對插層型V2O5材料中Zn2+儲能機制的理解提供了依據，并為高性能鋅離子電池在快充儲能器件中的應用奠定了基礎。
研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院青年創新促進會、中科院國際伙伴計劃與合肥綜合性國家科學中心能源研究院等的支持。
2023-04-11 來源： 中國科學技術大學