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仪表网 研发快讯】近日,东北大学理学院化学系宋禹课题组在水系锌离子电池领域研究成果“Iodine-Mediated Defect Engineering of Vanadyl Phosphate Cathodes for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”发表于材料科学领域顶级期刊Advanced Functional Materials。论文第一作者为理学院2023级硕士研究生林雨来,理学院化学系宋禹副教授为本文通讯作者,东北大学为唯一完成单位。
可充电水系锌离子电池(AZIBs)安全性高,成本低,循环寿命长,在大规模智能电网储能应用中极具潜力。在锌离子电池众多正极材料中,磷酸氧钒(VOPO4)放电电压高,有望提供更大的能量密度。然而,VOPO4的电导率相对较低,且Zn2+与宿主材料之间存在较强的静电相互作用,使得VOPO4在充放电过程中反应动力学缓慢,限制了其在AZIBs中的实际应用。在VOPO4电极材料中实现高效电子转移和离子扩散是科学界面临的巨大挑战。
鉴于此,宋禹课题组提出了一种全新的“碘介导刻蚀法”用于调控VOPO4纳米片内部的离子/电子传递。该方法通过碘单质与材料中结构水的歧化反应,在纳米片结构中引入了晶体缺陷。此外,碘歧化的产物被巧妙地二次利用,作为还原剂在[VO6]单元中引入了氧空位。在此基础上,通过简单地调控刻蚀时间,制备了具有不同缺陷密度的VOP-I4和VOP-I8电极。其中,VOP-I4在0.2 A g-1电流密度下实现了249 mAh g-1的高质量比容量和300 Wh kg-1的高能量密度。这些性能优于众多已报道的VOPO4电极材料。
实验结果与理论计算表明,适量的晶体缺陷可以作为容纳Zn2+/H+离子的活性位点,促进离子迁移,提供更高的容量;而引入氧空位可以调节材料的电子结构,提高其电导率,进而提高磷酸氧钒的电化学性能。然而,过量的缺陷会导致结构非晶化及粉化,阻碍了离子在材料内的迁移。因此,具有适量缺陷的VOP-I4兼具良好的电子转移能力和快速的离子迁移能力,表现出优越的电化学性能。
此项科研成果为制备高性能磷酸氧钒电极材料提供了新方法,所提出的“碘介导蚀刻方法”可进一步应用于制备其他金属氧化物和聚阴离子化合物,为发展高性能电化学储能器件(如锂离子电池、超级
电容器、水系电池等)提供新思路。我校分析测试中心为本工作材料结构解析提供重要支撑。
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