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解決方案 | XH-800SE 通過層間摻雜策略對層狀氧化釩結構進行調控，以實現卓越的高速低溫鋅離子電池

發布時間：

2020/06/15 22:12

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第一作者：耿洪波
通訊作者：程敏、王博、楊洋、張宇飛、李成超
DOI:Adv. Funct. Mater. 2019, 1907684
IF：15.621 一區

本文亮點

納米線，鋅離子電池，正極材料、微波水熱、微波水熱合成、微波高分子合成、微波反應加速

前言

2019年，Advanced Functional Material 雜志在線發表了關于高性能鋅離子電池。該工作報道了通過層間摻雜策略對層狀氧化釩結構進行調控，以實現卓越的高速低溫鋅離子電池的研究。

研發背景

目前，由于鋅離子電池(ZIBs)主機結構中多價電荷的Zn2+動力學遲緩，困擾著合適的陰極材料的開發。在此，證明了層間Mn2+摻雜的層狀氧化釩(Mn0.15V2O5-nH2O)復合材料作為鋅離子電池陰極表現出極大的提升電化學性能。具體來說，Mn0.15V2O5-nH2O電極在0.1 A g-1的電流密度下表現出367 mAh g-1的高比容量，以及在高達10和20 A g-1的高電流密度下，8000次循環后分別表現出153和122 mAh g-1的優異的保持能力。

即使在-20℃的低溫下，在3000次循環后，在2.0 A g-1的電流密度下，也能達到100 mAh g-1的可逆比容量。優異的電化學性能源于層狀納米結構與Mn2+離子和水分子的層間摻雜之間的協同效應，可以增強循環過程中電子/離子的傳輸動力學和結構穩定性。借助于各種離體表征技術和密度功能理論計算，可以揭示鋅離子的存儲機制，為開發高性能的ZIBs陰極提供了基本準則。

圖表解析

Figure 1 a)Mn0.15V2O5-nH2O和V2O5-nH2O的XRD圖譜。 b，c)SEM圖像，d-f)TEM和HRTEM圖像，g-j)Mn0.15V2O5-nH2O的HAADF-STEM圖像和相應的EDX元素圖譜。

Figure 2 a)掃描速率為0.1 mV s-1時的CV曲線，b)0.1 A g-1時的星光靜電充放電曲線，c)0.1 A g-1時的循環性能，d)不同電流密度下Mn0.15V2O5-nH2O的星光靜電充放電曲線。 15V2O5-nH2O.e)速率性能，f)1.0 A g-1時的循環性能，g)n0.15V2O5-nH2O和V2O5-nH2O在10 A g-1時的長循環性能。

Figure 3 a)不同掃描速率下的CV曲線，b)特定峰值電流下的對數(i)與對數(v)圖，c)0.8 mV s-1時電容和擴散控制電流貢獻的分離，d)不同掃描速率下電容容量和擴散受限容量的貢獻比，e)電流密度為0.A g-1時的充放電GITT曲線，f)Mn0.15V2O5-nH2O電極相應的Zn2+擴散系數。 05 A g-1，f)Mn0.15V2O5-nH2O電極相應的Zn2+擴散系數，g)Mn0.15V2O5-nH2O電極循環前后的Nyquist圖，h)Mn0.15V2O5-nH2O電極與其他已報道的ZIBs陰極的能量和功率密度比較，i)由四塊紐扣電池供電的Android智能手機充電的照片。

Figure 4 Mn0.15V2O5-nH2O電極在-20℃低溫下的鋅離子存儲性能：a)0.1 A g-1時的循環性能和b)相應的galvanostatic充放電曲線。

Figure 5 a-c) 0.1 A g-1時的原位XRD圖樣和相應的充放電曲線。f)SEM，g,h)TEM，i-l)HAADF-STEM圖像和相應的EDX元素圖譜，m)長期循環Mn0.15V2O5-nH2O電極(0.5 A g-1下100次)的HRTEM圖像。)

Figure 6 Mn2+摻雜V2O5和純V2O5的密度函數理論計算：a)Mn2+摻雜V2O5的電子密度差，黃色為電荷積累，藍色為電荷耗盡。b,d)計算出純V2O5和Mn2+摻雜V2O5的總帶結構和c,e)總密度和部分狀態密度。

全文小結

材料的制備。在典型的程序中，將0.364g V2O5溶于40mL去離子水中，然后在攪拌下向上述橙色溶液中加入0.082g Mn(CH3COO)2-4H2O。攪拌10分鐘后，向上述漿液中灌入5mL H2O2，在室溫下再磁力攪拌30分鐘。之后，將混合后的溶液轉移到100 mL高壓釜中，置于微波儀(XH-800G)中，在200℃下保持3 h，最后用蒸餾水和乙醇多次洗滌Mn0.15V2O5-nH2O。在不添加錳源的情況下，用類似的路線合成V2O5-nH2O。

材料表征：SEM(Hitach，型號SU8220)和TEM(FEI，型號Talos F200S)用于研究形態學，XRD圖案在Bruke D8上記錄，并帶有Cu Kα輻射。使用SEM（Hitach，型號SU8220）和TEM（FEI，型號Talos F200S）來研究材料的形態，XRD圖樣是在Bruke D8上用Cu Kα輻射源記錄的。氮氣氣氛下的TGA由熱重分析儀（STA409PC）采集。XPS分析在X射線光電子分光光度計(Thermo Fisher-Escalab 250Xi)上進行，采用單色Al-Kα X射線源(激發能量=1486 eV)。元素含量用ICP-OES光譜儀(SPECTRO BLUE SOP)測定。紅外光譜在Nicolet 6700 FTIR光譜儀上記錄。

將活性材料(70重量％)、超P(20重量％)和聚偏氟乙烯(PVDF，10重量％)在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合，形成均勻的漿液，從而制備工作電極。然后，將漿料涂布到不銹鋼網片上，接著在50℃下真空干燥約12小時，在10MPa下壓縮?；钚圆牧系馁|量負載約為1.0毫克厘米-2。在空氣中組裝硬幣電池，使用金屬鋅作為陽極，1 M Zn(ClO4)2在碳酸丙烯(PC)中作為電解液。在0.2-1.7 V的電壓范圍內，用NEWARE多通道電池測試系統對這些電池的電化學性能與Zn/Zn2+進行了測試。使用GAMRY工作站進行了100 kHz至10 mHz的電化學阻抗譜測定和循環伏安測定。

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