大连理工《JMCA》：高性能可充电锌离子电池的自支撑正极材料

导读：本文报道了一种在碱处理碳布上原位生长的二维水合钒酸铵纳米片作为高性能锌离子电池（ZIBs）的自支撑正极的方法。以此材料组装的纽扣ZIB在0.1 A g-1的电流密度下能达到523 mA h g-1，能量密度达到343 W h kg-1@150 W kg-1。在组装成准固态柔性ZIB时，能够保持良好的稳定性。

现如今，社会对环保、安全、高效、低成本的先进储能设备的迫切需求，推动了二次电池的研究。在可充电电池中，锂离子电池因其能量密度高而被认为是最有前途的间歇可再生能源存储技术；但其安全性差、成本高，阻碍了其进一步大规模应用。作为另一种选择，除了拥有与LIBs类似的摇椅机制外，水性可充电锌离子电池（ARZIBs）更安全，且资源储备更广泛。其中特别是为了适应便携式、可穿戴电子产品的快速发展，柔性ARZIBs的开发具有了更高的要求。

虽然锌阳极具有诸多优点，但由于缺乏合适的锌离子基质材料，ARZIBs仍处于发展阶段。到目前为止，已经有各种各样的材料被开发作为ZIBs的阴极，如锰基氧化物，普鲁士蓝类似物，聚阴离子化合物和钒基化合物等。然而，大多数报道的材料存在倍率性能不足、容量低和能量密度。现阶段，迫切需要探索能够快速稳定地充分适应Zn2+插入/提取的独立材料，以促进ARZIBs的发展。近年来，层状钒酸铵因其分子量和密度较小、NH4 +的柱化作用等一系列优势被用作ARZIBs的正极材料且而受到广泛关注。

基于上述基础，大连理工大学与新加坡国立大学的研究团队开发出了一种原位生长碳布（CC）上的水合钒酸铵无粘结正极材料。由此材料组装的无论是在纽扣还是准固态柔性ZIBs都表现出优异的性能。近日，此工作以“In situ grown 2D hydrated ammonium vanadate nanosheets on carboncloth as a free-standing cathode for high-performance rechargeable Zn-ion batteries”为题，发表在国际知名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta05065b

作者开发了一种简单有效的水热方法，在碱处理的CC上直接原位生长独立的2D水合钒酸铵纳米片（NV NSs@ACC），作为高性能ARZIBs的无粘结正极。这种自支撑设计不仅解决了二维材料在应用中的堆叠、团聚问题，同时也减少了粘结剂对材料性能的影响。因此，以此材料组装的纽扣ZIB在0.1 A g-1的电流密度下能达到523 mA h g-1，能量密度达到343 W h kg-1@150 W kg-1；在组装成准固态柔性ZIB时，能够保持良好的稳定性。另外，作者通过电化学测试、ex-XRD和ex-XPS分析系统地研究了Zn2+插层的高可逆行为。这项工作为促进二维钒基材料在ARZIBs中的大规模应用甚至储能设备的发展开辟了一条新途径。（文：天航）

图1. 柔性NV NSs@ACC电极的制作过程示意图。

图2. NV NSs@ACC的形貌及结构表征。

图3. NV NSs@ACC电极组装ARZIB性能图。

图4. ex-XRD和ex-XPS分析图。

图5. NV NSs@ACC电极组装柔性ZIB性能图。

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