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刘宏教授团队在高性能水系锌电池方面取得新进展
2020-05-29 10:49 王书华 

近日,山东大学晶体材料国家重点实验室王书华教授和刘宏教授以及中国科学院化学研究所郭玉国研究员提出了一种钠离子和锰离子共同预嵌入的(Na,Mn)V8O20·nH2O正极材料,并用于水系锌离子电池。该工作通过实验及理论计算分析了预嵌入的钠离子和锰离子对材料性能的影响,发现钠离子有助于提高锌离子扩散,而层间的锰离子有利于材料导电性的提高。过渡金属离子和碱金属离子间的协同作用是提高(Na,Mn)V8O20·nH2O材料循环稳定性的关键,为设计高性能锌离子电池正极材料提供了一个指导方向。此外,作者提出的钠锰共掺杂调控材料性能的方法,可以扩展到其他不同碱金属和过渡金属离子间的组合,并制备了一系列性能优异的双离子共掺杂正极材料。相关成果以“Tunable Layered (Na,Mn)V8O20·nH2O Cathode Material for High-Performance Aqueous Zinc Ion Batteries”为题发表在Advanced Science上,山东大学硕博连读博士生杜敏为本文第一作者,晶体材料国家重点实验室的王书华教授和刘宏教授以及中科院化学所的郭玉国研究员为共同通讯作者。

该研究对(Na,Mn)V8O20·nH2O, (Na,Fe)V8O20·nH2O, (Na,Co)V8O20·nH2O, (Na,Ni)V8O20·nH2O, (Na,Ca)V8O20·nH2O, (Na,K)V8O20·nH2O正极材料进行性能表征,证明了过渡金属在提高NaV8O20·nH2O性能方面的独特优势。通过Mott-Schottky曲线,发现预嵌入层间的过渡金属离子可以促使电极材料具有更高的载流子浓度。同时,理论计算结果表明锰离子使(Na,Mn)V8O20·nH2O电极材料在费米能级附近的电子态密度有所增加,较高的电导率促进了材料的电化学性能。此外,相比锰离子,预嵌入层间的钠离子可以显著降低锌离子扩散势垒。随着(Na,Mn)V8O20·nH2O中锰离子含量的增加,正极材料的长循环稳定性得到进一步提高,并且电极材料在电解液中的溶解得到抑制。这种碱金属和过渡金属共掺杂的策略可以用来调控钒氧化物的电化学性能,而且制备的系列共掺杂材料扩大了储能器件的正极材料选择范围。

相关研究工作得到了国家自然基金、山东省自然科学基金、晶体材料国家重点实验室的支持。

链接:https://doi.org/10.1002/advs.202000083

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