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“碘蚀”成金!东北大学宋禹课题组在锌离子电池领域取得重要研究成果

2024/11/4 13:01:38    13234
来源:东北大学
摘要: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发表于材料科学领域顶级期刊Advanced Functional Materials。
  【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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