【引言】

可充水系鋅電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域（如智能電網(wǎng)）中展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。這得益于水系電解液具有高的安全性、良好的環(huán)境兼容性和優(yōu)異的離子電導(dǎo)率；此外，鋅資源豐富、分布廣泛、化學(xué)穩(wěn)定性高，可直接用作負(fù)極材料。然而，鋅離子電荷高且原子量大，在常規(guī)正極晶體結(jié)構(gòu)中的脫嵌動(dòng)力學(xué)緩慢，因此急需開發(fā)新型高性能儲(chǔ)鋅正極材料。層狀五氧化二釩（V2O5）具有廉價(jià)易得、理論容量高（589mAh／g）等特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種有應(yīng)用前景的儲(chǔ)鋅正極。然而，釩基氧化物在低濃度水系電解液中一般面臨著循環(huán)穩(wěn)定性差和倍率不佳的問題。此外，盡管V2O5在鋰離子電池中已被廣泛研究且反應(yīng)機(jī)理明確，但是多價(jià)態(tài)陽離子在其晶體結(jié)構(gòu)中的脫嵌行為相對復(fù)雜，其儲(chǔ)鋅機(jī)理有待闡明。

【成果簡介】

河北大學(xué)張寧博士（通訊作者）等研究人員在美國化學(xué)會(huì)能源旗艦刊ACSEnergyLetters（IF≈11）上在線發(fā)表了題為“RechargeableAqueousZn－V2O5BatterywithHighEnergyDensityandLongCycleLife”的文章。利用商業(yè)化的V2O5為正極，金屬鋅為負(fù)極，Zn（CF3SO3）2水溶液為電解液，構(gòu)建了高能量密度、長循環(huán)壽命的Zn－V2O5電池體系。通過電化學(xué)測試、TEM表征和XPS表征等分析方法，闡明了V2O5正極的儲(chǔ)鋅機(jī)理；通過使用所優(yōu)化的高濃度水系電解液，顯著提升了Zn－V2O5電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1可充水系Zn－V2O5電池的反應(yīng)機(jī)理和循環(huán)穩(wěn)定性。

（a）在3MZn（CF3SO3）2水系電解液中，電池工作原理示意圖；（b）Zn－V2O5電池在0．2，0．5和1．0mA／g的電流密度下的循環(huán)性能圖。

圖2：可充水系Zn－V2O5電池電化學(xué)性能表征。

（a）倍率性能；（b）充放電曲線；（c）Ragone曲線性能對比；（d）長循環(huán)穩(wěn)定性；（e）微分電容曲線。

圖3：電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析。

（a）不同掃速下的循環(huán)伏安曲線；（b）logi（電流）vs．logv（掃速）線性關(guān)系；（c）贗電容行為容量貢獻(xiàn)。

圖4：SEM和TEM表征。

（a）原始V2O5正極的SEM譜圖；（b）經(jīng)歷1次，（c）10次和（d）100次循環(huán)后的V2O5電極的SEM譜圖；經(jīng)歷100次循環(huán)后的正極（e）低倍和（f）高倍TEM譜圖。

圖5：V2O5正極儲(chǔ)鋅機(jī)理表征。

（a）第1次，2次和20次循環(huán)過程中的電池充放電曲線；（b）不同充放電狀態(tài)下的XRD譜圖；（c）活性中心釩元素在原始狀態(tài)和首次充放電后的XPS譜圖；（d）首次放電后，正極STEM圖和相應(yīng)的（e）EDS線性掃描圖以及（f－h(huán)）Zn，V，O元素的EDSmapping譜圖。

【小結(jié)】

該研究成果報(bào)到了一種高性能的可充水系Zn－V2O5電池化學(xué)體系，揭示了V2O5正極材料的反應(yīng)機(jī)理，即充放電過程中，水合鋅離子能夠可逆的在其層間脫嵌；闡明了共嵌入水分子的功能，其具有電荷屏蔽的作用，有利于陽離子的擴(kuò)散；顯著提升了水系Zn－V2O5電池的循環(huán)壽命、倍率性能、以及高低溫電池性能。