固体所在水系锌离子电池电极材料研究方面取得进展

近期，中科院合肥物质院固体所功能材料物理与器件研究部赵邦传研究员团队在高性能水系锌离子电池电极材料研究方面取得系列进展，通过磁场-电化学缺陷工程协同作用获得了一种超长寿命的VS2基水系锌离子电池，并探索了VS2在柔性自愈合锌离子电池中的应用。相关结果发表在Materials Horizons (Mater. Horiz., 2023, DOI: 10.1039/d3mh00303e)和Small (Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202207998)上。

水系电池因其低成本和高安全性在大规模储能领域具有广阔的应用前景，是锂离子电池的有力补充。其中，水系锌离子电池因锌金属高的理论比容量 (820 mAh g-1)和低的氧化还原电位 (-0.76 V vs. SHE)而备受关注。然而，通常锌离子电池正极材料的电化学性能有限，负极锌枝晶生长现象严重，使得锌离子电池的能量密度偏低，循环寿命偏差。因此，设计制备高能量密度正极材料和抑制锌枝晶的生长是开发高性能锌离子电池的两个关键因素。在此基础上，进一步制备柔性电池可有效拓宽储能器件的应用领域和范围。

鉴于此，研究人员采用一步水热结合高充电截止电压下原位电化学缺陷工程制备了一种具有手风琴状的VS2材料。该VS2材料晶格发生了有益的畸变，具有丰富的空位。材料独特的结构解锁了Zn2+沿c轴方向的传输，实现Zn2+沿ab面和c轴方向的3D传输，并可有效减小锌离子与VS2之间的静电相互作用，材料的比容量和倍率性能较为优异。同时，研究人员通过引入磁场的方法调节了电池中锌离子的运动方式，抑制了锌枝晶的生长，实现7400圈的超长循环寿命。

此外，团队通过简单的水热方法在柔性碳泡沫(CF)基底上生长了VS2纳米片阵列，制备了柔性VS2电极材料(VS2@CF)，探索了VS2在柔性锌离子电池方面的应用。得益于CF的高导电性和3D多孔骨架结构，VS2@CF表现出优异的倍率性能(5 A g-1时172.8 mAh g-1)和循环稳定性（1 A g-1下1000次循环后130.2 mAh g-1)。更重要的是，由VS2@CF正极、CF支撑的Zn负极和凝胶电解质组装的准固态电池VS2@CF//Zn@CF同样表现出优异的倍率性能( 0.2 A g-1时261.5 mAh g-1，5 A g-1时149.8 mAh g-1)和循环稳定性（1 A g-1下100次循环后126.6 mAh g-1）。VS2@CF//Zn@CF全电池还表现出良好的柔韧性和自愈性能，在不同弯曲角度下都具有较高的比容量，被剪开能迅速自愈合，并且愈合后能正常充放电。

合肥物质院固体所博士研究生毛云杰为论文第一作者，高能物理研究所散裂中子源科学中心司建国博士后对论文的部分结果进行了理论解释。该研究工作得到国家重点研发计划、安徽省重点研发计划、合肥大科学中心高端用户和合肥物质院院长基金等项目的支持。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/MH/D3MH00303E

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202207998

图1. Zn-VS2 AZIB的结构示意图及电化学性能：(a) 结构示意图；(b) 循环性能；(c) 富含空位VS2与其它类似结构正极材料的Ragone图；(d)由Zn-VS2电池供电的LED灯光学照片。

图2. （a)不同弯曲角度下的VS2@CF//Zn@CF光学照片。VS2@CF//Zn@CF电池的（b)循环性能和（c)倍率性能；（d)不同弯曲角度下的GCD曲线；（e)由VS2@CF//Zn@CF准固态电池点亮的商用LED灯条。