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熊胜林教授课题组在水系锌离子电池正极材料研究中获进展
2020-03-26 16:18  

近日,晶体材料国家重点实验室熊胜林教授课题组在水系锌离子电池正极材料的研究中取得进展。研究人员采用简单的水热合成法制备了一种水合钡离子稳定的钒酸钡Ba1.2V6O16·3H2O,并将其用于水系锌离子电池正极材料,钒溶解行为得到了有效抑制,表现出了较高的倍率性能和优异的长循环寿命。相关研究成果以Boosting Zinc-ion Storage Capability by Effectively Suppressing Vanadium Dissolution Based on Robust Layered Barium Vanadate为题,发表在纳米领域国际顶级期刊《Nano Letters(DOI:10.1021/acs.nanolett.0c00732)。该论文第一作者是2017级博士生王晓,通讯作者为熊胜林教授和奚宝娟副教授,山东大学为独立完成单位。

锂离子电池因其高能量密度和长循环寿命已经发展成为一种大规模应用的二次电池,但是考虑到锂储量日益衰竭以及有机电解液所带来的安全隐患与环境污染问题,发展新型的安全、环保、低成本的二次电池体系迫在眉睫。近几年,水系锌离子电池(AZIBs)受到了科研工作者的青睐,采用金属锌作为负极,安全环保的弱酸性水溶液作为电解液,但是如何选择合适的正极材料成为研究的关键。其中具有开放架构的钒氧化物成功并高效实现了锌离子的可逆存储,但是当前多数报道中存在的严重钒溶解问题没有受到重视,副产物的产生及累计导致了容量的衰减和差的循环寿命,极大限制了其大规模应用。因此,如何更好抑制钒溶解成为钒基正极材料亟需解决的问题。

 

针对上述难题,在熊胜林教授的指导下,课题组采用一步水热合成法制备了一种水合钡离子稳定的钒酸钡作为AZIBs正极材料,通过调整钡源的量得到三种结构的钒酸钡单晶纳米带:Ba1.2V6O16·3H2O, BaV6O16·3H2O (V3O8-type) and BaxV2O5·nH2O (V2O5-type)。三种钒酸钡纳米带随着钡源量增加呈现出BaxV2O5·nH2O Ba1.2V6O16·3H2O BaV6O16·3H2O的定向结构演变,且纳米带宽度逐渐增加,长径比逐渐变小。电化学测试显示Ba1.2V6O16·3H2O具有最好的倍率性能(108.8 mAh g1@ 10 A g1)和循环稳定性(2000圈容量保留率95.6%)。非原位XRDFTIR表明,Ba1.2V6O16·3H2O在锌离子嵌入过程中展现出最小的副产物的特征峰,表明副产物的生成得到了有效抑制,而正极材料在电解液中的静态浸泡实验表明钒溶解得到了明显抑制,证明了其超高的结构稳定性。因此,该工作可为具有稳定的高性能AZIBs正极材料的选择和设计提供很好的指导。

近年来,熊胜林教授课题组一直从事无机能源材料化学基础应用研究,主要在以能量存储为导向的无机介观尺度组装结构材料的合成方法学、精准合成与储能及器件方面开展基础应用研究,获得系列创新性成果,近五年在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., J. Energy Chem.等国内外本领域主流刊物发表通讯作者论文50余篇,17篇入选ESI高被引论文。熊胜林教授2019年当选全球高被引科学家和山东省泰山学者特聘专家。

上述系列研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、山东省泰山学者支持计划、山东省自然科学基金、山东大学青年学者未来计划项目、晶体材料国家重点实验室和山东大学结构成分与物性测量平台的大力支持。

文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00732

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