可充水系Zn-V2O5电池

【引言】

可充水系锌电池在大规模储能领域（如智能电网）中展现出了良好的应用前景。这得益于水系电解液具有高的安全性、良好的环境兼容性和优异的离子电导率；此外，锌资源丰富、分布广泛、化学稳定性高，可直接用作负极材料。然而，锌离子电荷高且原子量大，在常规正极晶体结构中的脱嵌动力学缓慢，因此急需开发新型高性能储锌正极材料。层状五氧化二钒（V2O5）具有廉价易得、理论容量高（589 mAh／g）等特点，被认为是一种有应用前景的储锌正极。然而，钒基氧化物在低浓度水系电解液中一般面临着循环稳定性差和倍率不佳的问题。此外，尽管V2O5在锂离子电池中已被广泛研究且反应机理明确，但是多价态阳离子在其晶体结构中的脱嵌行为相对复杂，其储锌机理有待阐明。

【成果简介】

河北大学张宁博士（通讯作者）等研究人员在美国化学会能源旗舰刊ACS Energy Letters （IF≈11） 上在线发表了题为“Rechargeable Aqueous Zn－V2O5 Battery with High Energy Density and Long Cycle Life”的文章。利用商业化的V2O5为正极，金属锌为负极，Zn（CF3SO3）2水溶液为电解液，构建了高能量密度、长循环寿命的Zn－V2O5电池体系。通过电化学测试、TEM表征和XPS表征等分析方法，阐明了V2O5正极的储锌机理；通过使用所优化的高浓度水系电解液，显著提升了Zn－V2O5电池的循环稳定性和倍率性能。

【图文导读】

图1 可充水系Zn－V2O5电池的反应机理和循环稳定性。

（a）在3 M Zn（CF3SO3）2水系电解液中，电池工作原理示意图；（b）Zn－V2O5电池在0．2，0．5和1．0 mA／g的电流密度下的循环性能图。

图2：可充水系Zn－V2O5电池电化学性能表征。

（a）倍率性能；（b）充放电曲线；（c）Ragone曲线性能对比；（d）长循环稳定性；（e）微分电容曲线。

图3：电化学反应动力学分析。

（a）不同扫速下的循环伏安曲线；（b）logi （电流） vs． logv（扫速）线性关系；（c）赝电容行为容量贡献。

图4：SEM和TEM表征。

（a）原始V2O5正极的SEM谱图；（b）经历1次，（c）10次和（d）100次循环后的V2O5电极的SEM谱图；经历100次循环后的正极（e）低倍和（f）高倍TEM谱图。

图5：V2O5正极储锌机理表征。

（a）第1次，2次和20次循环过程中的电池充放电曲线；（b）不同充放电状态下的XRD谱图；（c）活性中心钒元素在原始状态和首次充放电后的XPS谱图；（d）首次放电后，正极STEM图和相应的（e）EDS线性扫描图以及（f－h）Zn，V，O元素的EDS mapping谱图。

【小结】

该研究成果报到了一种高性能的可充水系Zn－V2O5电池化学体系，揭示了V2O5正极材料的反应机理，即充放电过程中，水合锌离子能够可逆的在其层间脱嵌；阐明了共嵌入水分子的功能，其具有电荷屏蔽的作用，有利于阳离子的扩散；显著提升了水系Zn－V2O5电池的循环寿命、倍率性能、以及高低温电池性能。