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熊勝林教授課題組在水系鋅離子電池正極材料研究中獲進展

時間:2020-03-25 15:34 點擊次數:15 來源:中國在職研究生網

近日,化學與化工學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抑制,表現出了較高的倍率性能和優異的長循環壽命。相關研究成果以“Boosting Zinc-ion Storage Capability by Effectively Suppressing Vanadium Dissolution Based on Robust Layered Barium Vanadate”為題,發表在納米領域國際頂級期刊《Nano Letters》(DOI:10.1021/acs.nanolett.0c00732)。該論文第一作者是2017級博士生王曉,通訊作者為熊勝林教授和奚寶娟副教授,山東大學為獨立完成單位。

鋰離子電池因其高能量密度和長循環壽命已經發展成為一種大規模應用的二次電池,但是考慮到鋰儲量日益衰竭以及有機電解液所帶來的安全隱患與環境污染問題,發展新型的安全、環保、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,采用金屬鋅作為負極,安全環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鍵。其中具有開放架構的釩氧化物成功并高效實現了鋅離子的可逆存儲,但是當前多數報道中存在的嚴重釩溶解問題沒有受到重視,副產物的產生及累計導致了容量的衰減和差的循環壽命,極大限制了其大規模應用。因此,如何更好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下,課題組采用一步水熱合成法制備了一種水合鋇離子穩定的釩酸鋇作為AZIBs正極材料,通過調整鋇源的量得到三種結構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出BaxV2O5·nH2O → Ba1.2V6O16·3H2O → BaV6O16·3H2O的定向結構演變,且納米帶寬度逐漸增加,長徑比逐漸變小。電化學測試顯示Ba1.2V6O16·3H2O具有最好的倍率性能(108.8 mAh g−[email protected] 10 A g−1)和循環穩定性(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出最小的副產物的特征峰,表明副產物的生成得到了有效抑制,而正極材料在電解液中的靜態浸泡實驗表明釩溶解得到了明顯抑制,證明了其超高的結構穩定性。因此,該工作可為具有穩定的高性能AZIBs正極材料的選擇和設計提供很好的指導。

近年來,熊勝林教授課題組一直從事無機能源材料化學基礎應用研究,主要在以能量存儲為導向的無機介觀尺度組裝結構材料的合成方法學、精準合成與儲能及器件方面開展基礎應用研究,獲得系列創新性成果,近五年在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Nano Lett., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., J. Energy Chem.等國內外本領域主流刊物發表通訊作者論文50余篇,17篇入選ESI高被引論文。熊勝林教授2019年當選全球高被引科學家和山東省泰山學者特聘專家。

上述系列研究工作得到了國家自然科學基金面上項目、山東省泰山學者支持計劃、山東省自然科學基金、山東大學青年學者未來計劃項目、晶體材料國家重點實驗室和山東大學結構成分與物性測量平臺的大力支持。

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