解决方案 | XH-800SE 通过层间掺杂策略对层状氧化钒结构进行调控，以实现卓越的高速低温锌离子电池

发布时间：

2020/06/15 22:12

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第一作者：耿洪波
通讯作者：程敏、王博、杨洋、张宇飞、李成超
DOI:Adv. Funct. Mater. 2019, 1907684
IF：15.621 一区

本文亮点

纳米线，锌离子电池，正极材料、微波水热、微波水热合成、微波高分子合成、微波反应加速

前言

2019年，Advanced Functional Material 杂志在线发表了关于高性能锌离子电池。该工作报道了通过层间掺杂策略对层状氧化钒结构进行调控，以实现卓越的高速低温锌离子电池的研究。

研发背景

目前，由于锌离子电池(ZIBs)主机结构中多价电荷的Zn2+动力学迟缓，困扰着合适的阴极材料的开发。在此，证明了层间Mn2+掺杂的层状氧化钒(Mn0.15V2O5-nH2O)复合材料作为锌离子电池阴极表现出极大的提升电化学性能。具体来说，Mn0.15V2O5-nH2O电极在0.1 A g-1的电流密度下表现出367 mAh g-1的高比容量，以及在高达10和20 A g-1的高电流密度下，8000次循环后分别表现出153和122 mAh g-1的优异的保持能力。

即使在-20℃的低温下，在3000次循环后，在2.0 A g-1的电流密度下，也能达到100 mAh g-1的可逆比容量。优异的电化学性能源于层状纳米结构与Mn2+离子和水分子的层间掺杂之间的协同效应，可以增强循环过程中电子/离子的传输动力学和结构稳定性。借助于各种离体表征技术和密度功能理论计算，可以揭示锌离子的存储机制，为开发高性能的ZIBs阴极提供了基本准则。

图表解析

Figure 1 a)Mn0.15V2O5-nH2O和V2O5-nH2O的XRD图谱。 b，c)SEM图像，d-f)TEM和HRTEM图像，g-j)Mn0.15V2O5-nH2O的HAADF-STEM图像和相应的EDX元素图谱。

Figure 2 a)扫描速率为0.1 mV s-1时的CV曲线，b)0.1 A g-1时的星光静电充放电曲线，c)0.1 A g-1时的循环性能，d)不同电流密度下Mn0.15V2O5-nH2O的星光静电充放电曲线。 15V2O5-nH2O.e)速率性能，f)1.0 A g-1时的循环性能，g)n0.15V2O5-nH2O和V2O5-nH2O在10 A g-1时的长循环性能。

Figure 3 a)不同扫描速率下的CV曲线，b)特定峰值电流下的对数(i)与对数(v)图，c)0.8 mV s-1时电容和扩散控制电流贡献的分离，d)不同扫描速率下电容容量和扩散受限容量的贡献比，e)电流密度为0.A g-1时的充放电GITT曲线，f)Mn0.15V2O5-nH2O电极相应的Zn2+扩散系数。 05 A g-1，f)Mn0.15V2O5-nH2O电极相应的Zn2+扩散系数，g)Mn0.15V2O5-nH2O电极循环前后的Nyquist图，h)Mn0.15V2O5-nH2O电极与其他已报道的ZIBs阴极的能量和功率密度比较，i)由四块纽扣电池供电的Android智能手机充电的照片。

Figure 4 Mn0.15V2O5-nH2O电极在-20℃低温下的锌离子存储性能：a)0.1 A g-1时的循环性能和b)相应的galvanostatic充放电曲线。

Figure 5 a-c) 0.1 A g-1时的原位XRD图样和相应的充放电曲线。f)SEM，g,h)TEM，i-l)HAADF-STEM图像和相应的EDX元素图谱，m)长期循环Mn0.15V2O5-nH2O电极(0.5 A g-1下100次)的HRTEM图像。)

Figure 6 Mn2+掺杂V2O5和纯V2O5的密度函数理论计算：a)Mn2+掺杂V2O5的电子密度差，黄色为电荷积累，蓝色为电荷耗尽。b,d)计算出纯V2O5和Mn2+掺杂V2O5的总带结构和c,e)总密度和部分状态密度。

全文小结

材料的制备。在典型的程序中，将0.364g V2O5溶于40mL去离子水中，然后在搅拌下向上述橙色溶液中加入0.082g Mn(CH3COO)2-4H2O。搅拌10分钟后，向上述浆液中灌入5mL H2O2，在室温下再磁力搅拌30分钟。之后，将混合后的溶液转移到100 mL高压釜中，置于微波仪(XH-800G)中，在200℃下保持3 h，最后用蒸馏水和乙醇多次洗涤Mn0.15V2O5-nH2O。在不添加锰源的情况下，用类似的路线合成V2O5-nH2O。

材料表征：SEM(Hitach，型号SU8220)和TEM(FEI，型号Talos F200S)用于研究形态学，XRD图案在Bruke D8上记录，并带有Cu Kα辐射。使用SEM（Hitach，型号SU8220）和TEM（FEI，型号Talos F200S）来研究材料的形态，XRD图样是在Bruke D8上用Cu Kα辐射源记录的。氮气气氛下的TGA由热重分析仪（STA409PC）采集。XPS分析在X射线光电子分光光度计(Thermo Fisher-Escalab 250Xi)上进行，采用单色Al-Kα X射线源(激发能量=1486 eV)。元素含量用ICP-OES光谱仪(SPECTRO BLUE SOP)测定。红外光谱在Nicolet 6700 FTIR光谱仪上记录。

将活性材料(70重量％)、超P(20重量％)和聚偏氟乙烯(PVDF，10重量％)在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合，形成均匀的浆液，从而制备工作电极。然后，将浆料涂布到不锈钢网片上，接着在50℃下真空干燥约12小时，在10MPa下压缩。活性材料的质量负载约为1.0毫克厘米-2。在空气中组装硬币电池，使用金属锌作为阳极，1 M Zn(ClO4)2在碳酸丙烯(PC)中作为电解液。在0.2-1.7 V的电压范围内，用NEWARE多通道电池测试系统对这些电池的电化学性能与Zn/Zn2+进行了测试。使用GAMRY工作站进行了100 kHz至10 mHz的电化学阻抗谱测定和循环伏安测定。

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