大層間距及高穩定性的釩基水系鋅離子電池正極新材料

近日，我所無機膜與催化新材料研究組（504組）楊維慎研究員和朱凱月副研究員團隊在水系鋅離子電池正極材料研究方面取得新進展，發展了一種離子交換誘導相變方法，制備了具有超大層間距及高穩定性的針釩鈣石ZnV₆O₁₆·8H₂O（ZVO）新材料，并將其用作水系鋅離子電池正極，表現出優異的倍率性能和長期循環穩定性。

　　水系鋅離子電池具有能量密度高、安全性好、成本低等優點，在儲能領域潛力巨大。在正極側，層狀結構的釩基材料由于其結構靈活、氧化還原電位合適、比容量高等優點，成為水系鋅離子電池正極研究的熱點，目前最具代表的材料是A₂V₆O₁₆·nH₂O（AVO，A=NH₄⁺，Na，K）。但AVO層間距較小（大約3Å），以及在水系電解質中溶解嚴重等問題，導致其電池倍率性能和循環穩定性不理想。

　　本工作中，研究團隊提出了離子交換誘導相變的方法，使用水合鋅離子取代AVO層間的A離子，可顯著增大層間距（大約6Å）；在離子交換過程中還進一步誘導AVO中由[VO₆]八面體和[VO₅]四方錐構成的V₆O₁₆層，轉化成獨具[VO₆]八面體構成的V₆O₁₆層，后者在水中具有較好的結構穩定性。得益于超大層間距和高穩定性層結構，ZVO在水系鋅離子電池中表現出遠優于AVO的倍率性能和循環穩定性，例如，在0.5和15A/g下，分別具有365和170mAh/g的高容量，以及300次循環后其容量保持在86%，10000次循環后其容量保持在70%。

　　該工作不僅開發出一類高性能的水系鋅離子電池正極新材料，還提出了一種離子交換誘導相變的正極材料設計新策略，為大層間距且穩定的正極材料的設計提供了新思路。

　　上述工作以“Hewettite ZnV₆O₁₆·8H₂O with Remarkably Stable Layers and Ultralarge Interlayer Spacing for High-Performance Aqueous Zn-Ion Batteries”為題，于近日發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。該工作的第一作者是我所朱凱月副研究員和中國科學技術大學碩士研究生蔣偉康。上述工作得到了我所創新基金、中科院A類先導專項“變革性潔凈能源關鍵技術與示范”等項目的支持。（文/圖 朱凱月、蔣偉康）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202213368