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非晶三氧化钼异质结提升水系锌电池用V₅O₁₂⋅6H₂O储能性能

能源学人 · 公众号 · · 2025-01-28 14:12

正文

【研究背景】

水系锌离电池因良好的安全性以及相对低廉的制造成本而越来越多的受到关注。V ₅ O ₁₂ ·6H ₂ O作为典型的层状氧化物被用于水系锌电池研究中。然而，锌离子与晶格氧之间的溶解损失和强静电相互作用，制约了其在锌离子电池的应用。鉴于此，人们在设计和合成先进的钒基材料（例如，预插入和缺陷工程等）方面做出了巨大的努力，但通常是以牺牲理论容量为代价的。相反，界面工程是一种可靠的策略，通过形成的异质界面可以提供额外的活性位点，促进客体离子吸附，加速客体离子扩散；更重要的是，这种策略几乎不影响活性材料的理论容量，甚至可以增加额外的容量。然而，如何方便和可控地构建上述异质界面仍然存在挑战。

【工作简介】

近日，鞍山师范学院孙震与大连工业大学蔡翔等人利用简便的电化学方法，将非晶MoO ₃ 包覆V ₅ O ₁₂ ·6H ₂ O纳米棒表面，V-O-Mo之间的相互作用形成了沿[001]取向的内置电场。外层的MoO ₃ 作为质子库，提升了质子对电荷储存的贡献，而在V ₅ O ₁₂ ·6H ₂ O（001）晶面形成的异质界面为锌离子的扩散提供了新的途径，同时也为质子储存提供了额外的活性位点。相关工作以“Heterointerface Built Up by Ultrathin Amorphous MoO ₃ Conformal Coating Enables V ₅ O ₁₂ ∙6H ₂ O with Superior Properties for Aqueous Zinc Batteries”为题发表在国际顶级期刊 Nano Letters 上。

【内容表述】

为了利用界面效应，电极材料微纳米结构设计的理想情况是主体材料的尺寸应足够小，包覆在前者上的另一种材料的厚度需要足够薄。如果异质界面以这种结构建立，客体离子将很容易穿过异质界面，并且插入到主体材料中，从而使得电化学性能的提升贯穿于整个主体材料中。本研究以非晶态三氧化钼为异质材料，在V ₅ O ₁₂ ·6H ₂ O表面形成异质界面，使V ₅ O ₁₂ ·6H ₂ O的电荷储存性能得到明显改善。界面处形成的内置电场，为离子储存提供了新的扩散途径和额外的储能位点。本项工作为设计先进水系锌电池阴极材料异质结构提供了参考。

图1. A）VO@MoO ₃ ，VO和MoO ₃ 的XRD；b）VO@MoO ₃ 和VO的V 2p；c）VO@MoO ₃ ，VO和MoO ₃ 的Raman；VO@MoO ₃ 的d）SEM和e）TEM；f-i）STEM以及V、Mo、O的面扫; VO@MoO ₃ 的j）SAED和k-l）HTEM；m-p）VO和MoO ₃ 的DFT。

图2. VO@MoO ₃ 和VO的a）充放电曲线，b）倍率性能，c）循环性能；d-n）VO@MoO ₃ 不同电荷态下的XRD，Raman，O 1s XPS，V 2p XPS，EDS，SEM。

图3. VO@MoO ₃ 和VO的a-b）CV曲线，c）对应b值，d-e）EIS，f）活化能的计算；g-i)不同电荷态下的EDS和Zn ²⁺ 与H ⁺ 贡献。

图4. VO@MoO ₃ 和VO的a-b）Zn和H吸附能，c-d）态密度。

【本文要点】

非晶态MoO ₃ 作为第二相材料，在V ₅ O ₁₂ ·6H ₂ O表面形成超薄层，构建异质界面，V−O−Mo相互作用可以在异质界面处重新分配电子密度，从而诱导形成沿[001]取向的内置电场。通过研究结构与性能之间的关系，揭示了外层MoO ₃ 起到作为质子库的作用，使V ₅ O ₁₂ ·6H ₂ O能够通过质子储存电荷，而垂直于[001]取向的异质界面也可以为锌离子提供新的扩散途径和额外的质子储存活性位点，从而提高容量输出，并且促进动力学过程。与VO相比，VO@MoO ₃ 依靠结构上的优势，使得其动力学得到了显著地提升，实现了510 mAh g ⁻¹ 的超高比容量，良好的倍率能力和循环稳定性。

【文献详情】

Zhen Sun*, Jiahuan Yuan, Yi Wang, Zengfu Chi, Linlin Lv, Haixu Wang, Weiwei Luo, Quanping Diao, Haijiao Xie, and Xiang Cai*，Heterointerface Built Up by Ultrathin Amorphous MoO ₃ Conformal Coating Enables V ₅ O ₁₂ ∙6H ₂ O with Superior Properties for Aqueous Zinc Batteries. Nano Lett. , 2025, https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04942

【作者简介】

孙震简介：辽宁省天然产物活性分子开发及利用重点实验室，鞍山师范学院化学与生命科学学院副教授，长期从事新型储能材料的研究和开发。已发表多篇SCI检索论文，其中包括ACS Nano, Nano Lett., J. Power Sources，Chem. Comm., Chem. Eng. J., ChemElectroChem等高水平期刊。

蔡翔简介：大连工业大学教师，主要从事无机非金属材料在电化学能源储存与转化以及器件设计与组建等方面的研究工作。已发表多篇SCI检索论文，其中包括Nano-Micro Lett., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Small, ACS Appl. Mater. Interfaces，J. Power Sources，Electrochim. Acta等高水平期刊。

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