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四川大学罗冬梅教授、中南大学王正豪助理研究员，ACS Nano综述：V2O5基材料作为水系锌离子电池正极材料的储能机理及改性策略

科学材料站 · 公众号 · 科技投资科技自媒体 · 2024-09-29 09:56

正文

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文章信息

水系锌离子电池正极材料V₂O₅的作用机理和改性策略

第一作者：郭安琪

通讯作者：王正豪*，罗冬梅*

单位：四川大学，中南大学

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研究背景

水系锌离子电池五氧化二钒（V₂O₅）基正极材料具有可调控的层状结构，钒元素的多价态变化、工艺成熟以及成本低廉等优势，因此被认为是极具应用潜力的理想储能材料。但是随着研究的不断深入，V₂O₅基正极材料被发现导电性差，层间结构不稳定，易于产生严重的静电作用以及生成副产物等问题，严重阻碍了进一步的应用。本篇综述从V₂O₅及其衍生物的结构特点出发，介绍了在水系锌离子电池体系中已发现的储能机制及其存在的缺陷，回顾并分类了目前研究人员在为提高导电性和稳定性方面采取的改性方法及进展，并就各类改性方法的作用机理及优缺点进行了探讨。本文为未来的研究提供了方向，有助于加速水系锌离子电池钒基正极材料的研究及实际应用。

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文章简介

近日，来自四川大学的罗冬梅教授与中南大学的王正豪助理研究员合作，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“A Comprehensive Review of the Mechanism and Modification Strategies of V₂O₅Cathodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries”的综述文章。该文章分析了目前V₂O₅基材料在水系电解液体系中所表现出的不稳定性、低导电性以及发生副反应等问题，并汇总了目前针对这些问题所采取的改性策略的进展。

图1. 水系锌离子电池V₂O₅正极材料的发展历程。

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本文要点

要点一：V₂O₅纳米结构设计

商用V₂O₅的形貌为不规则的纳米片结构，片与片之间的联结不利于与电解液接触，并且结构极其不稳定，导致其所展现的比容量和循环稳定性都比较差，不能满足应用要求。为了解决上述问题，研究人员采用各类钒化合物，通过水热法，模版法等生成具有规则的钒前驱体，最后通过焙烧得到了规则的V₂O₅纳米线、纳米棒、纳米球等纳米结构，显著提高了其容量和稳定性。

图2 V₂O₅基材料的缺陷

要点二：粒子预插层与复合材料设计

V₂O₅为层状结构，锌离子在其间嵌入/脱出的过程中会与其结构中的阴离子发生强静电作用，引起晶格变形，最终导致层状结构的崩塌，导致电池的容量下降以及寿命衰减。采用分子、离子插层于层间，可以增大层间距，同时屏蔽锌离子与层结构之间的静电作用，降低锌离子扩散能垒，提高材料的电化学性能。但是选择插层的粒子的数量和种类需要进一步的探究和比较，锌离子也可能会在嵌入/脱出过程中将插层粒子挤出晶格，导致改性方法失效。

将V₂O₅与其他钒化合物进行复合形成异质界面或与碳源进行包覆复合，都能有效地保护V₂O₅的结构，提高材料表面的活性位点，并增加导电性。但所产生的异质界面的能量存储机制尚未得到充分的探索，所用的复合材料的成本，复合的方式仍需要进一步地筛选和完善。

要点三：形貌修饰与电解液添加剂

近年来，缺陷结构设计被认为是调节纳米材料表面性能和电子结构的有效方法。氧空位的引入有效地调整了V₂O₅材料的电子结构和导电性，是在形貌上对该类材料进行改性的一个重要的思路。但目前引入固定的氧空位的数量的方法还尚未得到广泛研究，空位形成的机理还存在争议，需要未来进一步的研究。

V₂O₅易于溶解，除了自身的不稳定，电解液的弱酸性也是这类现象的因素之一。最近出现了一些通过加入有机化合物、功能盐或无机材料来优化电解质的方法，可以影响电池体系中的所有成分并提高整体电化学性能。

图3 V₂O₅基材料的改性策略

要点五：联合策略改性

近年来，在先前单一修饰策略的理论基础的支持下，研究人员开始进行多策略联合修饰。不同的策略的组合能有效互补策略的缺陷从而使改性效果更高效。这种综合方法在过去两年中已成为V₂O₅修饰的趋势，同时也为其他正极材料的修饰提供了途径。此外，有限的研究已经探索了使用电解质添加剂来补充这些改性方法，从而为V₂O₅的最终应用提供了理论支持。

要点六：前瞻

由于每种改性方法都具有一定的局限，因此将各类改性方法进行联合协同，并探究策略的配合度，这也是未来研究的一个潜在方向。同时改进电池材料的制备流程，充分利用先进表征技术的优势，深入研究材料制备参数、结构调制和界面化学反应等关键信息。另外，了解阳极锌枝晶的抑制方案，兼顾电解质、V₂O₅基材料和锌阳极之间的相容性，可以实现具有高安全性高能量密度水系锌离子电池，以加速其在商业市场中的应用。

图4 总结与展望

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文章链接

A Comprehensive Review of the Mechanism and Modification Strategies of V₂O₅Cathodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c09899

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通讯作者简介

王正豪，工学博士，1995年生，中南大学冶金与环境学院博士后、助理研究员，主要从事矿物清洁提取和储能材料开发研究。主持“国家自然科学基金青年基金项目1项，中国博士后科学基金面上项目1项，国家资助博士后研究人员计划1项”。在Chemical Engineering Journal、Hydrometallurgy等期刊上发表论文26篇，其中第一作者/通讯作者在Composites Part B-Engineering、Resources, Conservation and Recycling、Green Chemistry、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Journal of Cleaner Production等国际知名期刊发表SCI论文10余篇，申请发明专利6件。四川大学优秀博士学位论文获得者（1/20）。现担任《钢铁钒钛》青年编委、Minerals Engineering、Hydrometallurgy、Journal of Environmental Chemical Engineering、Langmuir等期刊审稿人。

罗冬梅，四川大学化学工程学院教授、博士生导师。主持和参与科技部重点研发计划项目课题、国家自然科学基金委重点项目及面上项目等多项项目。曾获教育部高等学校科学研究技术发明奖二等奖（2011）1项。现担任有色金属学会冶金物理化学专业学术委员会委员、中国钢铁工业协会钒业分会专家咨询委员会委员。罗冬梅教授在钒钛矿物清洁加工技术、钒液流电池电解液制备和测试技术方面进行了系统深入的研究，研究成果在Chemical Engineering Journal、ACS Nano、Resources, Conservation and Recycling、Energy等国际知名期刊发表学术论文60余篇，申请发明专利20余项。