熊勝林教授課題組在水系鋅離子電池正極材料的研究中獲進展
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近日，我院錢逸泰院士團隊熊勝林教授課題組在水系鋅離子電池正極材料的研究中取得重要進展。研究人員采用簡單的水熱合成法制備了一種水合鋇離子穩(wěn)定的釩酸鋇Ba1.2V6O16·3H2O，并將其用于水系鋅離子電池正極材料，釩溶解行為得到了有效地抑制，表現(xiàn)出了較高的倍率性能和優(yōu)異的長循環(huán)壽命。相關(guān)研究成果以“Boosting Zinc-ion Storage Capability by Effectively Suppressing Vanadium Dissolution Based on Robust Layered Barium Vanadate”為題，發(fā)表在納米領(lǐng)域國際頂級期刊《Nano Letters》(DOI:10.1021/acs.nanolett.0c00732)上。該論文的第一作者是2017級博士生王曉，通訊作者為熊勝林教授和奚寶娟副教授，山東大學(xué)為獨立完成單位。
鋰離子電池因其高的能量密度和長循環(huán)壽命已經(jīng)發(fā)展成為一種大規(guī)模應(yīng)用的二次電池，但是考慮到鋰儲量的日益衰竭以及有機電解液所帶來的安全隱患與環(huán)境污染問題，發(fā)展新型的安全、環(huán)保、低成本的二次電池體系迫在眉睫。近幾年水系鋅離子電池（AZIBs）受到了科研工作者的青睞，其采用金屬鋅作為負極，安全環(huán)保的弱酸性水溶液作為電解液，但是如何選擇合適的正極材料成為研究的關(guān)鍵。其中具有開放架構(gòu)的釩氧化物成功并高效地實現(xiàn)了鋅離子的可逆存儲，但是當(dāng)前多數(shù)報道中存在的嚴(yán)重釩溶解問題沒有受到重視，副產(chǎn)物的產(chǎn)生及累計導(dǎo)致了容量的衰減和差的循環(huán)壽命，極大地限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此如何更好地抑制釩溶解成為釩基正極材料亟需解決的問題。
針對上述難題，在熊勝林教授的指導(dǎo)下，作者采用一步水熱合成法制備了一種水合鋇離子穩(wěn)定的釩酸鋇作為AZIBs正極材料，通過調(diào)整鋇源的量得到三種結(jié)構(gòu)的釩酸鋇單晶納米帶：Ba1.2V6O16·3H2O, BaV6O16·3H2O (V3O8-type) and BaxV2O5·nH2O (V2O5-type)。三種釩酸鋇納米帶隨著鋇源量增加呈現(xiàn)出BaxV2O5·nH2O → Ba1.2V6O16·3H2O → BaV6O16·3H2O的定向結(jié)構(gòu)演變，且納米帶寬度逐漸增加，長徑比逐漸變小。電化學(xué)測試顯示Ba1.2V6O16·3H2O具有最好的倍率性能（108.8 mAh g?1 @ 10 A g?1）和循環(huán)穩(wěn)定性（2000圈容量保留率95.6%）。非原位XRD和FTIR表明，Ba1.2V6O16·3H2O在鋅離子嵌入過程中展現(xiàn)出最小的副產(chǎn)物的特征峰，表明副產(chǎn)物的生成得到了有效的抑制，而正極材料在電解液中的靜態(tài)浸泡實驗表明了釩溶解得到了明顯地抑制，這證明了其超高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，該工作可為具有穩(wěn)定的高性能AZIBs正極材料的選擇和設(shè)計提供很好的指導(dǎo)。???????????
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近年來，熊勝林教授課題組一直從事無機能源材料化學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)用研究，主要在以能量存儲為導(dǎo)向的無機介觀尺度組裝結(jié)構(gòu)材料的合成方法學(xué)、精準(zhǔn)合成與儲能及器件方面開展基礎(chǔ)應(yīng)用研究，獲得系列創(chuàng)新性成果，近五年在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., J. Energy Chem.等國內(nèi)外本領(lǐng)域主流刊物發(fā)表通訊作者論文50余篇，17篇入選ESI高被引論文。熊勝林教授2019年連續(xù)入選“全球高被引科學(xué)家”和山東省泰山學(xué)者特聘專家。
上述系列研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、山東省泰山學(xué)者支持計劃、山東省自然科學(xué)基金、山東大學(xué)青年學(xué)者未來計劃項目、晶體材料國家重點實驗室和山東大學(xué)結(jié)構(gòu)成分與物性測量平臺的大力支持。
文章鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.0c00732
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