【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，東北大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系宋禹課題組在水系鋅離子電池領(lǐng)域研究成果“Iodine-Mediated Defect Engineering of Vanadyl Phosphate Cathodes for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”發(fā)表于材料科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Advanced Functional Materials。論文第一作者為理學(xué)院2023級碩士研究生林雨來，理學(xué)院化學(xué)系宋禹副教授為本文通訊作者，東北大學(xué)為唯一完成單位。
可充電水系鋅離子電池(AZIBs)安全性高，成本低，循環(huán)壽命長，在大規(guī)模智能電網(wǎng)儲能應(yīng)用中極具潛力。在鋅離子電池眾多正極材料中，磷酸氧釩(VOPO4)放電電壓高，有望提供更大的能量密度。然而，VOPO4的電導(dǎo)率相對較低，且Zn2+與宿主材料之間存在較強(qiáng)的靜電相互作用，使得VOPO4在充放電過程中反應(yīng)動力學(xué)緩慢，限制了其在AZIBs中的實(shí)際應(yīng)用。在VOPO4電極材料中實(shí)現(xiàn)高效電子轉(zhuǎn)移和離子擴(kuò)散是科學(xué)界面臨的巨大挑戰(zhàn)。
鑒于此，宋禹課題組提出了一種全新的“碘介導(dǎo)刻蝕法”用于調(diào)控VOPO4納米片內(nèi)部的離子/電子傳遞。該方法通過碘單質(zhì)與材料中結(jié)構(gòu)水的歧化反應(yīng)，在納米片結(jié)構(gòu)中引入了晶體缺陷。此外，碘歧化的產(chǎn)物被巧妙地二次利用，作為還原劑在[VO6]單元中引入了氧空位。在此基礎(chǔ)上，通過簡單地調(diào)控刻蝕時間，制備了具有不同缺陷密度的VOP-I4和VOP-I8電極。其中，VOP-I4在0.2 A g-1電流密度下實(shí)現(xiàn)了249 mAh g-1的高質(zhì)量比容量和300 Wh kg-1的高能量密度。這些性能優(yōu)于眾多已報道的VOPO4電極材料。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計算表明，適量的晶體缺陷可以作為容納Zn2+/H+離子的活性位點(diǎn)，促進(jìn)離子遷移，提供更高的容量；而引入氧空位可以調(diào)節(jié)材料的電子結(jié)構(gòu)，提高其電導(dǎo)率，進(jìn)而提高磷酸氧釩的電化學(xué)性能。然而，過量的缺陷會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)非晶化及粉化，阻礙了離子在材料內(nèi)的遷移。因此，具有適量缺陷的VOP-I4兼具良好的電子轉(zhuǎn)移能力和快速的離子遷移能力，表現(xiàn)出優(yōu)越的電化學(xué)性能。
此項(xiàng)科研成果為制備高性能磷酸氧釩電極材料提供了新方法，所提出的“碘介導(dǎo)蝕刻方法”可進(jìn)一步應(yīng)用于制備其他金屬氧化物和聚陰離子化合物，為發(fā)展高性能電化學(xué)儲能器件(如鋰離子電池、超級電容器、水系電池等)提供新思路。我校分析測試中心為本工作材料結(jié)構(gòu)解析提供重要支撐。
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