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研究背景

水系鋅離子電池（AZIBs）是一種前景廣闊的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)，因其高能量密度、低成本和非可燃性，在電動(dòng)汽車、電網(wǎng)儲(chǔ)能以及便攜式電子設(shè)備等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，鋅離子電池在電解液的導(dǎo)電性方面具有明顯優(yōu)勢，水系電解液的離子導(dǎo)電性可高達(dá)1 S·cm?1，而非水系電解液的離子導(dǎo)電性通常僅為1–10 mS·cm?1。然而，盡管水系鋅離子電池在離子導(dǎo)電性上具有優(yōu)勢，但金屬離子擴(kuò)散的高活化能（Ea）以及固體-電解質(zhì)界面的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)限制了其超快充電性能，尤其是對(duì)Zn2?等多價(jià)離子的擴(kuò)散挑戰(zhàn)。

成果簡介

為了克服這些挑戰(zhàn)，近年來，學(xué)術(shù)界一直致力于開發(fā)新型材料以降低金屬離子在固體材料中的擴(kuò)散障礙。因此，東北師范大學(xué)劉益春（Yichun Liu）院士團(tuán)隊(duì)、邵長路教授、李興華教授等人合作在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Amorphous organic-hybrid vanadium oxide for near-barrier-free ultrafast-charging aqueous zinc-ion battery”的最新論文。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了AOH-VO，這種材料采用一維鏈條結(jié)構(gòu)，形成無序的原子/分子級(jí)孔隙，促進(jìn)了分層的離子擴(kuò)散通道，減少了Zn2?離子與固體基體的相互作用。通過這一創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，AOH-VO顯著降低了Zn2?離子的擴(kuò)散活化能（Ea），使得Zn2?在固體中的擴(kuò)散Ea降至7.8 kJ·mol?1，而正極-電解質(zhì)界面的擴(kuò)散Ea也僅為6.3 kJ·mol?1，均遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋅離子電池電解液的Ea值（13.2 kJ·mol?1）。

本研究通過這種設(shè)計(jì)，AOH-VO材料顯著提高了電池的超快充電性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Ah級(jí)袋式電池在9.5分鐘內(nèi)即可充至81.3%的容量，且在5000次循環(huán)后保持了90.7%的容量。此外，AOH-VO的接近無障礙的Zn2?離子動(dòng)力學(xué)為超快充電電池技術(shù)提供了新的思路。這些研究成果為開發(fā)穩(wěn)定的超快充電金屬離子電池提供了寶貴的理論依據(jù)和技術(shù)路線。

研究亮點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)首次提出并實(shí)現(xiàn)了無定形有機(jī)-混合釩氧化物（AOH-VO）作為超快充電水系鋅離子電池（AZIBs）的正極材料，得到了極低的Zn2?擴(kuò)散活化能（Ea），顯著提升了電池的充放電性能。

（2）實(shí)驗(yàn)通過設(shè)計(jì)具有一維鏈條的無序結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了原子/分子級(jí)的微孔，促進(jìn)了分層離子擴(kuò)散通道，從而有效降低了Zn2?與固體基體的相互作用。這種結(jié)構(gòu)顯著減少了Zn2?離子在固體中的擴(kuò)散能壘，達(dá)到了7.8 kJ·mol?1，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)晶態(tài)氧化物的擴(kuò)散能壘。

（3）實(shí)驗(yàn)還通過測試Zn2?在正極-電解質(zhì)界面上的擴(kuò)散，發(fā)現(xiàn)其Ea值為6.3 kJ·mol?1，這一數(shù)值明顯低于水系鋅離子電池電解液的Ea（13.2 kJ·mol?1）。這一特性使得AOH-VO正極能夠?qū)崿F(xiàn)超快的充放電性能。

（4）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了AOH-VO電池的電化學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)其在Ah級(jí)袋式電池中，9.5分鐘內(nèi)即可充至81.3%的容量，并且在5000次循環(huán)后保持90.7%的容量，展現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和快速充電能力。

圖文解讀

圖1：從VEG到AOH-VO的轉(zhuǎn)變。

圖2：AOH-VO微觀結(jié)構(gòu)的直接觀察。

圖3：AOH-VO電極在充放電過程中的電化學(xué)動(dòng)力學(xué)。

圖4：AOH-VO在水系鋅離子電池（AZIBs）中接近無障礙的Zn2?動(dòng)力學(xué)。

圖5：組裝的硬幣電池和Ah級(jí)快充雙層袋式電池的AOH-VO正極電化學(xué)性能。

總結(jié)展望

本文報(bào)道了一種無定形有機(jī)-混合釩氧化物（AOH-VO），其通過隨機(jī)組裝1D-D-VO?鏈條形成了豐富的原子/分子級(jí)孔隙，這些孔隙可以充分暴露活性位點(diǎn)給電解液。最重要的是，它能顯著降低Zn2?從電解液擴(kuò)散到固體中的活化能（Ea），界面過程的Ea為6.3 kJ·mol?1，固體內(nèi)部遷移的Ea為7.8 kJ·mol?1。

這些值顯著低于電解液中的Ea（13.2 kJ·mol?1），表明Zn2?動(dòng)力學(xué)幾乎沒有能量障礙，從而實(shí)現(xiàn)了超快充放電過程。此外，Zn2?與骨架之間的相互作用減弱，增強(qiáng)了穩(wěn)定性，表現(xiàn)出在100 A·g?1下超過17,000次的循環(huán)穩(wěn)定性。組裝的袋式電池在2 A·g?1下具有2.04 Ah的容量（約為0.1 A·g?1下容量的81.3%），且僅需9.5分鐘即可充電，并在超過5000次循環(huán)后穩(wěn)定保持性能。

這些結(jié)果突顯了AOH-VO在穩(wěn)定、安全和超快充電水系鋅離子電池（AZIBs）中的潛力。本研究為推動(dòng)超快充電金屬離子電池中的離子動(dòng)力學(xué)提供了創(chuàng)新的見解，并為未來的發(fā)展開辟了有前景的道路。

文獻(xiàn)信息

Liu, M., Li, X., Cui, M. et al. Amorphous organic-hybrid vanadium oxide for near-barrier-free ultrafast-charging aqueous zinc-ion battery. Nat Commun 15, 10769 (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2025/01/06/094c624dcf/

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