近日，我校劉益春院士團(tuán)隊(duì)在水系鋅離子電池領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種具有極低鋅離子擴(kuò)散活化能的新型正極材料體系，研制出Ah級(jí)超快速充電水系鋅離子電池。相關(guān)成果以“Amorphous organic-hybrid vanadium oxide for near-barrier-free ultrafast-charging aqueous zinc-ion battery”為題，發(fā)表在國(guó)際著名期刊Nature Communications（2024, 15, 10769）上。
安全、長(zhǎng)壽命、超快速充電電池是電動(dòng)汽車和便攜式電子設(shè)備等應(yīng)用的關(guān)鍵組件。近年來，水系鋅離子電池因其高能量密度、低成本、非易燃性和高安全性而備受關(guān)注。水系鋅離子電池的充放電過程與正極材料的離子擴(kuò)散、電解液離子傳輸、鋅負(fù)極表面反應(yīng)等過程相關(guān)。對(duì)于傳統(tǒng)的晶態(tài)正極材料，由于鋅離子與晶格勢(shì)場(chǎng)有較強(qiáng)的庫(kù)倫相互作用，使其在固體活性材料內(nèi)部擴(kuò)散的活化能遠(yuǎn)高于電解液離子傳輸和負(fù)極表面反應(yīng)的活化能。因此，如何降低鋅離子固體擴(kuò)散活化能，是提升鋅離子電池快速充電能力的關(guān)鍵所在，也是制約本領(lǐng)域發(fā)展的科學(xué)難題。
針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了“配體螯合-非晶化”協(xié)同提升釩基氧化物正極材料鋅離子遷移能力的新策略，設(shè)計(jì)制備了V4+/V5+混合價(jià)態(tài)的非晶乙二醇氧釩材料（AOH-VO）。研究表明，有機(jī)乙二醇配體螯合釩氧分子鏈形成的非晶無序結(jié)構(gòu)，減弱了鋅離子與活性物質(zhì)骨架的庫(kù)侖相互作用，降低了鋅離子擴(kuò)散活化能。其一維有機(jī)-無機(jī)雜化分子鏈組裝形成的原子/分子級(jí)微孔，為鋅離子的快速擴(kuò)散提供了有效通道，促進(jìn)了鋅離子傳輸。獲得的非晶AOH-VO的初始離子擴(kuò)散活化能可達(dá)7.8 ?kJ?mol?1、擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到10?8 cm2?s?1，與晶態(tài)乙二醇氧釩材料（VEG）相比，擴(kuò)散活化能降低了3倍、離子擴(kuò)散系數(shù)提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。在0.2-1.7 V電池工作區(qū)間，鋅離子固體擴(kuò)散活化能達(dá)到7.8?-20.3 kJ?mol?1，與電解液體系的離子擴(kuò)散活化能10.9-18.2 kJ?mol?1相當(dāng)，表明與電解液相比固體中的鋅離子已接近無障礙傳輸。此外，非晶AOH-VO中乙二醇配體的螯合效應(yīng)也顯著增強(qiáng)了釩氧骨架的穩(wěn)定性，使其在100 A?g?1超高比電流密度下、17000次循環(huán)后，容量保持率仍然高達(dá)93%。
進(jìn)一步以非晶AOH-VO為正極材料（負(fù)載量高達(dá)37?mg?cm?2），以三氟甲烷磺酸鋅水溶液為電解質(zhì)，以電紡碳納米纖維為界面層穩(wěn)定金屬鋅負(fù)極，組裝了尺寸9 cm × 10 cm的袋式電池。其最高容量為2.5 Ah，實(shí)現(xiàn)了“9.5分鐘充電81.3%”的超快速充電，達(dá)到了美國(guó)能源部極快速充電（XFC）設(shè)備“10分鐘充電80%”的標(biāo)準(zhǔn)。其容量保持率經(jīng)過5000次循環(huán)仍能達(dá)到90.7%。
文章見刊后，課題組很快收到意大利資深工業(yè)科學(xué)家（N. F. Compagnone）來信，認(rèn)為該工作中有關(guān)不同電流密度下容量變化（即倍率性能）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與他提出的水系鉛酸電池極限容量理論模型完全契合。
該研究工作為開發(fā)高容量、長(zhǎng)壽命、極快速充電水系鋅離子電池開辟了新途徑。
該成果的第一作者為我校物理學(xué)院博士研究生劉明莊，通訊作者為我校物理學(xué)院李興華教授、邵長(zhǎng)路教授和劉益春院士。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
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https://doi.org/10.1038/s41467-024-55000-8
