蘇州納米所藺洪振團隊InfoMat封底論文:快速界面催化去溶劑化助力鋅金屬電池
基于水系電解液的低溫鋅金屬電池(LT-ZIBs)因其豐富的天然鋅資源和低廉的成本而具有廣闊的應(yīng)用前景。通過合理設(shè)計正極材料,如金屬氧化物、金屬硫化物和普魯士藍,可獲得具有高能量密度的鋅金屬電池。然而,在低溫環(huán)境下,電極/電解液界面處大的去溶劑化能壘及緩慢的擴散動力學(xué)導(dǎo)致其倍率性能和長循環(huán)壽命遠不能令人滿意?;诖?,結(jié)合合作團隊前期在電子結(jié)構(gòu)調(diào)控界面層,降低勢壘提升載流子傳輸動力學(xué),增強金屬二次電池電化學(xué)性能等研究基礎(chǔ)(Adv. Mater. 2023,35,2302828;Angew 2023,135,e202311693;Adv. Funct. Mater. 2023,2302624;Adv. Funct. Mater. 2023,2305674;Adv. Funct. Mater. 2023,33,2212499;ACS Nano 2023,17,1653;Adv. Funct. Mater. 2022,31,2110468;ACS Nano 2022,16,17729;Energy Storage Mater. 2022,52,210;Adv. Funct. Mater. 2021,31,2007434;Adv. Sci. 2022,2202244;Nano Lett. 2022,22,8008;Nano Lett. 2021,21,3245;Energy. Environ. Mater. 2022,5,731),提出降低脫溶能壘是提高Zn2+在低溫下的轉(zhuǎn)移和輸運動力學(xué)的必要條件。
針對低溫巨大的脫溶劑化能壘和緩慢的界面擴散動力學(xué)等問題,中國科學(xué)院蘇州納米所藺洪振研究員聯(lián)合德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院王健博士與Stefano Passerini院士采用電子離域催化促進Zn(H2O)62+快速脫溶和Zn2+可逆擴散的策略,設(shè)計分層多孔碳為載體的氧缺陷V2O5正極(ODVO@HPC),通過理論模擬、電化學(xué)分析、原位光譜和電化學(xué)表征,深入闡述了本征離域電子催化促進Zn(H2O)62+解離及Zn2+在電解質(zhì)/陰極界面擴散,形成可逆界面的重要催化作用。

與商業(yè)V2O5相比,ODVO@HPC的電子離域效應(yīng)可以迅速將Zn(H2O)x2+解離生成自由的Zn2+,較小尺寸的Zn2+可以順利通過間相擴散到ODVO內(nèi)部而不會破壞正極結(jié)構(gòu)。并且由于高的界面催化活性,Zn2+在ODVO@HPC電極上的擴散十分均勻,形成連續(xù)穩(wěn)健的正極電解質(zhì)界面(CEI)層。掃描電鏡(SEM)顯示ODVO@HPC具有分級孔結(jié)構(gòu)的交聯(lián)形貌,拉曼、X射線光電子能譜(XPS)和電子順磁共振(EPR)表明了氧空位的成功引入。得益于電子離域效應(yīng)產(chǎn)生的活性位點催化去溶劑化和擴散動力學(xué)提升,ODVO@HPC正極展現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的低溫長循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率性能,在1 A g-1能提供421 Wh kg-1的高能量密度和45 kW kg-1的超高功率密度,遠優(yōu)于目前報道的低溫釩基正極的電化學(xué)性能。循環(huán)伏安法(CV)進一步表明離域電子對促進Zn(H2O)x2+脫溶和改善Zn2+離子傳輸動力學(xué)的本征催化作用。密度泛函理論(DFT)表明了氧缺陷能夠促進電子重排,且計算了Zn2+在VO和ODVO上的結(jié)合能和擴散勢壘,結(jié)果顯示ODVO對Zn2+具有高的結(jié)合能力以及低的擴散勢壘,也進一步證明了ODVO的本征催化作用(圖1)。

圖1. 電化學(xué)和DFT計算揭示加快動力學(xué)機制
采用原位界面和頻光譜(SFG),監(jiān)測電催化Zn(H2O)62+解離,揭示了電子離域能加速Zn(H2O)62+去溶劑化。濺射XPS和飛行時間二次離子質(zhì)譜(TOF-SIMS)表明循環(huán)過程中正極表面形成了可逆的CEI層,且ODVO電極具有優(yōu)異的鋅離子存儲能力和脫嵌反應(yīng)的可逆性(圖2)。

圖2. ODVO@HPC的光譜表征闡明界面脫溶及擴散演化
所組裝的高負載扣式電池在-20 oC的低溫下具有優(yōu)異的長循環(huán)穩(wěn)定性和容量保持率。制造的大型軟包電池可以在-20 oC下串聯(lián)為由一系列LED燈組成的圣誕樹供電。此外,具有氧缺陷的商業(yè)MnO2電極(ODMO@C)也表現(xiàn)出良好的倍率性能和穩(wěn)定的循環(huán)壽命,展示了利用缺陷工程在低溫環(huán)境下快速脫溶和離子擴散的廣闊前景(圖3)。

圖3. 低溫環(huán)境下快速脫溶和電化學(xué)性能
以上研究成果以Fast Interfacial Electrocatalytic Desolvation Enabling Low-Temperature and Long-Cycle-Life Aqueous Zn Batteries為題發(fā)表在InfoMat期刊中,以上聯(lián)合工作受到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、德國洪堡基金等基金項目支持,得到了中國科學(xué)院蘇州納米所Nano-X的表征技術(shù)支持。
附件下載:

