中南大学李芝华教授课题组CEJ：新型聚苯胺插层分层多孔V2O5纳米带实现具有增强扩散动力学和循环稳定性能的水系锌离子电池 |
您所在的位置：网站首页 › 苯胺具有 › 中南大学李芝华教授课题组CEJ：新型聚苯胺插层分层多孔V2O5纳米带实现具有增强扩散动力学和循环稳定性能的水系锌离子电池 |
中南大学李芝华教授课题组CEJ：新型聚苯胺插层分层多孔V2O5纳米带实现具有增强扩散动力学和循环稳定性能的水系锌离子电池
 文章信息新型聚苯胺插层分层多孔V2O5纳米带实现具有增强扩散动力学和循环稳定性能的水系锌离子电池 第一作者：张一博 通讯作者：李芝华 单位：中南大学 研究背景可充电水系锌离子电池(ZIBs)具有能量密度高、生态友好、安全可靠等独特优点，在大规模储能应用中受到广泛关注。然而，由于Zn2+具有较大的原子质量和较大的静电斥力，导致目前可以应用的水系锌离子电池正极材料十分稀少。钒氧化物因其具有开放框架、层状晶体结构和多种氧化态而被认为是Zn2+存储的理想载体。与许多用于储能的正极材料类似，具有致密结构和较差导电性的钒氧化物总是存在离子扩散性差和动力学迟缓的问题。此外，Zn2+在其晶格中的多次嵌入/脱出产生的应变也会诱导钒氧化物结构的破坏，导致电池的循环稳定性差和容量衰减严重。因此，探索容量高、倍率性能高、结构稳定性好的水系锌离子正极材料设计新策略，对于锌离子电池的发展是至关重要的。 文章简介基于此，中南大学李芝华教授课题组，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Construction of novel polyaniline-intercalated hierarchical porous V2O5 nanobelts with enhanced diffusion kinetics and ultra-stable cyclability for aqueous zinc-ion batteries”的研究论文。 该研究提出了一种简便的“二合一”策略，将导电聚合物(聚苯胺，PANI)作为支柱分子插入V-MOF衍生的分层多孔V2O5中(PVO)，并用作高性能ZIBs的阴极。高比表面积和纳米带状多孔结构使PVO具有丰富的电化学活性位点，缩短了电子/离子转移途径，进一步提供了高放电容量(在0.1 A g-1时为489 mAh g-1,100次循环后容量保持率为97.2%)。同时，PANI的插层不仅有效拓宽了Zn2+扩散通道，还提高了循环过程中作为“层间支柱”的结构稳定性。更重要的是，PANI的引入可以增强整体结构的导电性，减弱Zn2+与PVO宿主之间的静电相互作用，从而抑制层状结构的坍塌。因此，制备的PVO阴极表现出优异的速率性能(在5.0 A g-1时为375 mAh g-1)和令人满意的循环稳定性(在8.0 A g-1下2000次循环后容量保持91.8%)。通过动力学分析和DFT计算，进一步研究了Zn2+的可逆储存机理。这些理想的结果为MOF基高性能水系锌离子电池正极材料的设计提供了关键的见解。  图1. Zn//PVO电池示意图和倍率性能图本文要点要点一：采用水热合成法制备聚苯胺插层V-MOF衍生的多孔V2O5。  图2. PVO材料的合成示意图。通过扫描电镜和透射电镜可见，PVO展现出纳米带状形貌，在PVO的HRTEM图像中可以明显观察到约1.48 nm的层间距，证明了聚苯胺的插层成功扩大了V2O5的层间距（图3e）。图3（g-j）的HRTEM图像和对应的元素分布图表明N、O、V元素的均匀分布。  图3. (a) V-MOF衍生的V2O5的SEM图像；(b) PVO的SEM图像；(c-e) PVO的TEM和HRTEM图像；(f) PVO的SAED图像；(g-j) PVO的HRTEM图像及其对应的元素分布图。要点二：制备的PVO正极具有优异的电化学性能。 PVO材料作为锌离子电池正极时，展示出优异的电化学性能：在电流密度为0.1，0.2，0.5，1.0，2.0和5.0 A g-1时，其放电比容量分别为490.1，474.2，464.1，448.6，422.3和 375 mAh g-1，明显优于V2O5电极。同时，该正极材料表现出优异的循环稳定性，在0.1 A g-1循环100次后容量无明显衰减。阻抗谱表明PVO的电荷转移电阻明显小于V2O5电极，表明聚苯胺的引入能大大提升复合材料的导电性。PVO正极在大电流密度8.0 A g-1下循环2000次后容量保持率可达91.8%，优于绝大多数已报道的钒基正极材料。  图4. (a) PVO和V2O5的CV测试曲线；(b) 0.1 A g-1下的充放电曲线；(c) 0.1 A g-1下的循环性能图；(d) 倍率性能图；(e) PVO的充放电曲线图；(f) V2O5和PVO的阻抗图；(g) 8.0 A g-1下的循环性能图；(h) Zn//PVO电池的实际应用图。要点三：制备的PVO正极具有快速的Zn2+扩散动力学。 为了进一步研究PVO电极的电化学动力学过程，进行了不同扫速下的CV测试。随着扫速的增加（0.2到1.0 mV s-1），CV曲线的形状基本没有发生变化，氧化/还原峰分别略微移动到更高和更低的电压并逐渐变宽。图4b展示了四个氧化还原峰的b值分别为0.62、0.81、0.74 和0.77，这意味着PVO的电化学存储行为受电容和扩散过程的双重调节，其中电容控制占主导地位。图4c显示了在0.8 mV s-1的扫速下电容控制过程为总容量提供了76.2%的贡献，随着扫速的增加，电容贡献的比例从67.6%增加到79.8%。GITT结果也表明PVO电极呈现出更快的Zn2+扩散速率。  图5. (a) PVO电极在不同速率下的CV测试曲线；(b) 峰值电流和扫速的拟合线；(c) 0.8 mV s-1扫速下的电容贡献率；(d) 在不同扫速下的电容和扩散控制贡献率；(e-f) GITT曲线与Zn2+扩散系图。要点四：V2O5和PVO的DFT计算分析。 为了揭示Zn2+的存储机制，运用DFT计算对电极材料的界面电子结构进行了研究。DOS结果表明PVO在费米能级附近的态密度不为零，表明PVO表现出金属行为。由于PVO的良好导电性，使得Zn//PVO电池具有较高的倍率性能。差分密度电荷表明在界面处表现出明显的电荷再分布，电子从聚苯胺转移到V2O5表面，从而可诱导快速的电子转移。  图6. (a-b) V2O5和PVO的DOS图谱；(c) V2O5和PVO的差分电荷密度分布图。文章链接Construction of novel polyaniline-intercalated hierarchical porous V2O5 nanobelts with enhanced diffusion kinetics and ultra-stable cyclability for aqueous zinc-ion batteries Yibo Zhang, Zhihua Li*, Mengmei Liu, Jun Liu https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142425 通讯作者简介李芝华教授简介：中南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。主持完成国家军工配套项目4项，主持完成国家863项目1项。主持完成湖南省重点科技攻关项目1项，主持完成广东省省部产学研结合项目1项。主持或参与湖南省一般科研项目研究多项。已发表研究论文近100余篇。其中SCI收录30篇；EI收录40篇。已完成主持的多项国家军品配套项目、国家863项目和湖南省攻关项目等的鉴定与验收。获得中国有色金属工业科技进步3等奖1次（排名第一，部级）。研究成果获得过2007年湖南省新产品奖。已申请国家发明专利21项，其中18项已获得国家授权的专利。 第一作者简介张一博简介：博士研究生，中南大学材料科学与工程学院。主要研究方向为新型金属有机框架（MOFs）复合材料的设计合成及其在水系锌离子电池方面的应用研究。多项研究工作发表在Chemical Engineering Journal、Journal of Energy Chemistry、Materials Today Chemistry、ACS Applied Energy Materials、Journal of the Electrochemical Society等期刊上。  
|
【本文地址】