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河北祥鹄科学仪器有限公司

解决方案 | XH-800SE 通过层间掺杂策略对层状氧化钒结构进行调控,以实现卓越的高速低温锌离子电池

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【摘要】:
2019年,Advanced Functional Material 杂志在线发表了关于高性能锌离子电池。该工作报道了通过层间掺杂策略对层状氧化钒结构进行调控,以实现卓越的高速低温锌离子电池的研究。
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第一作者:耿洪波
通讯作者:程敏、王博、杨洋、张宇飞、李成超
DOI:Adv. Funct. Mater. 2019, 1907684
IF:15.621 一区

本文亮点

纳米线,锌离子电池,正极材料、微波水热、微波水热合成、微波高分子合成、微波反应加速
 

前言

2019年,Advanced Functional Material 杂志在线发表了关于高性能锌离子电池。该工作报道了通过层间掺杂策略对层状氧化钒结构进行调控,以实现卓越的高速低温锌离子电池的研究。

 

研发背景

目前,由于锌离子电池(ZIBs)主机结构中多价电荷的Zn2+动力学迟缓,困扰着合适的阴极材料的开发。在此,证明了层间Mn2+掺杂的层状氧化钒(Mn0.15V2O5-nH2O)复合材料作为锌离子电池阴极表现出极大的提升电化学性能。具体来说,Mn0.15V2O5-nH2O电极在0.1 A g-1的电流密度下表现出367 mAh g-1的高比容量,以及在高达10和20 A g-1的高电流密度下,8000次循环后分别表现出153和122 mAh g-1的优异的保持能力。

即使在-20℃的低温下,在3000次循环后,在2.0 A g-1的电流密度下,也能达到100 mAh g-1的可逆比容量。优异的电化学性能源于层状纳米结构与Mn2+离子和水分子的层间掺杂之间的协同效应,可以增强循环过程中电子/离子的传输动力学和结构稳定性。借助于各种离体表征技术和密度功能理论计算,可以揭示锌离子的存储机制,为开发高性能的ZIBs阴极提供了基本准则。

 

图表解析
Figure 1 a)Mn0.15V2O5-nH2O和V2O5-nH2O的XRD图谱。 b,c)SEM图像,d-f)TEM和HRTEM图像,g-j)Mn0.15V2O5-nH2O的HAADF-STEM图像和相应的EDX元素图谱。
Figure 2 a)扫描速率为0.1 mV s-1时的CV曲线,b)0.1 A g-1时的星光静电充放电曲线,c)0.1 A g-1时的循环性能,d)不同电流密度下Mn0.15V2O5-nH2O的星光静电充放电曲线。 15V2O5-nH2O.e)速率性能,f)1.0 A g-1时的循环性能,g)n0.15V2O5-nH2O和V2O5-nH2O在10 A g-1时的长循环性能。
Figure 3 a)不同扫描速率下的CV曲线,b)特定峰值电流下的对数(i)与对数(v)图,c)0.8 mV s-1时电容和扩散控制电流贡献的分离,d)不同扫描速率下电容容量和扩散受限容量的贡献比,e)电流密度为0.A g-1时的充放电GITT曲线,f)Mn0.15V2O5-nH2O电极相应的Zn2+扩散系数。 05 A g-1,f)Mn0.15V2O5-nH2O电极相应的Zn2+扩散系数,g)Mn0.15V2O5-nH2O电极循环前后的Nyquist图,h)Mn0.15V2O5-nH2O电极与其他已报道的ZIBs阴极的能量和功率密度比较,i)由四块纽扣电池供电的Android智能手机充电的照片。
Figure 4 Mn0.15V2O5-nH2O电极在-20℃低温下的锌离子存储性能:a)0.1 A g-1时的循环性能和b)相应的galvanostatic充放电曲线。
Figure 5 a-c) 0.1 A g-1时的原位XRD图样和相应的充放电曲线。f)SEM,g,h)TEM,i-l)HAADF-STEM图像和相应的EDX元素图谱,m)长期循环Mn0.15V2O5-nH2O电极(0.5 A g-1下100次)的HRTEM图像。)
Figure 6 Mn2+掺杂V2O5和纯V2O5的密度函数理论计算:a)Mn2+掺杂V2O5的电子密度差,黄色为电荷积累,蓝色为电荷耗尽。b,d)计算出纯V2O5和Mn2+掺杂V2O5的总带结构和c,e)总密度和部分状态密度。

全文小结

材料的制备。在典型的程序中,将0.364g V2O5溶于40mL去离子水中,然后在搅拌下向上述橙色溶液中加入0.082g Mn(CH3COO)2-4H2O。搅拌10分钟后,向上述浆液中灌入5mL H2O2,在室温下再磁力搅拌30分钟。之后,将混合后的溶液转移到100 mL高压釜中,置于微波仪(XH-800G)中,在200℃下保持3 h,最后用蒸馏水和乙醇多次洗涤Mn0.15V2O5-nH2O。在不添加锰源的情况下,用类似的路线合成V2O5-nH2O。

材料表征:SEM(Hitach,型号SU8220)和TEM(FEI,型号Talos F200S)用于研究形态学,XRD图案在Bruke D8上记录,并带有Cu Kα辐射。使用SEM(Hitach,型号SU8220)和TEM(FEI,型号Talos F200S)来研究材料的形态,XRD图样是在Bruke D8上用Cu Kα辐射源记录的。氮气气氛下的TGA由热重分析仪(STA409PC)采集。XPS分析在X射线光电子分光光度计(Thermo Fisher-Escalab 250Xi)上进行,采用单色Al-Kα X射线源(激发能量=1486 eV)。元素含量用ICP-OES光谱仪(SPECTRO BLUE SOP)测定。红外光谱在Nicolet 6700 FTIR光谱仪上记录。

将活性材料(70重量%)、超P(20重量%)和聚偏氟乙烯(PVDF,10重量%)在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合,形成均匀的浆液,从而制备工作电极。然后,将浆料涂布到不锈钢网片上,接着在50℃下真空干燥约12小时,在10MPa下压缩。活性材料的质量负载约为1.0毫克厘米-2。在空气中组装硬币电池,使用金属锌作为阳极,1 M Zn(ClO4)2在碳酸丙烯(PC)中作为电解液。在0.2-1.7 V的电压范围内,用NEWARE多通道电池测试系统对这些电池的电化学性能与Zn/Zn2+进行了测试。使用GAMRY工作站进行了100 kHz至10 mHz的电化学阻抗谱测定和循环伏安测定。

 

 

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