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中科大研發(fā)出新型水系鋅離子電池,充電僅需 18 秒 今日熱搜
發(fā)布時間:2023-04-11 10:54:39 文章來源:IT之家
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(資料圖)

4月11日消息,從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室官網(wǎng)獲悉,該實(shí)驗(yàn)室宋禮教授團(tuán)隊(duì)基于插層型鋅離子電池正極材料的同步輻射譜學(xué)表征,提出了插層劑誘導(dǎo)V t2g軌道占據(jù)的概念,開發(fā)了具有快速充電性能的銨根插層五氧化二釩鋅離子電池正極材料。相關(guān)成果日前發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》上。

水系鋅離子電池(ZIBs)憑借安全、無毒,以及較高的理論容量,已經(jīng)成為最具潛力的可持續(xù)儲能技術(shù)之一。在眾多ZIBs電極材料中,層狀釩氧化物具有晶體結(jié)構(gòu)可調(diào)、容量高等特點(diǎn),是現(xiàn)階段廣泛研究的正極材料?;陔x子或分子預(yù)插層策略可以有效解決正極材料的晶格空間不足、電子傳導(dǎo)性低等問題,從而進(jìn)一步提升電池性能。然而,目前對插層型正極材料的研究多關(guān)注于層間空間膨脹對容量的貢獻(xiàn)。因此,發(fā)展先進(jìn)的原位表征技術(shù),從原子軌道方面深入理解由插層劑引起的電極材料內(nèi)在結(jié)構(gòu)變化是未來高性能正極材料設(shè)計(jì)和開發(fā)的關(guān)鍵所在。

圖 1.應(yīng)用于高性能ZIBs正極材料NH4+-V2O5的V t2g軌道占據(jù)機(jī)制。

圖 2.應(yīng)用于高性能ZIBs正極材料的NH4+-V2O5儲能機(jī)理分析。

本工作發(fā)揮同步輻射光源的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)勢,結(jié)合多種原位與非原位同步輻射譜學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù),深入揭示了銨根離子(NH4+)插層后,V2O5中V3dt2g軌道占據(jù)的變化,以及充放電過程中的可逆演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn),NH4+插層在很大程度上誘發(fā)了V-O鍵的結(jié)構(gòu)畸變,進(jìn)一步導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)的重排,促使V t2g軌道中3dxy空態(tài)的占據(jù)。這種V t2g軌道占據(jù)極大地提高了材料的電導(dǎo)率,聯(lián)合NH4+插層后拓寬的層間距,從而顯著加速了鋅離子(Zn2+)的轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)了鋅離子電池的超高倍率性能。

測試結(jié)果表明,在電流密度為200C時,銨根插層五氧化二釩(NH4+-V2O5)正極材料的比容量仍維持在101.0mA h g-1,且充電時間僅需18s。該工作不僅從原子軌道方面對插層型V2O5材料中Zn2+儲能機(jī)制的理解提供了依據(jù),也為高性能鋅離子電池在快充儲能器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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