全南国立大学Nano Lett. ：水系二次锌离子电池的Na2V6O16•3H2O负极材料具有高稳定性和能量

【引言】

当前锂离子电池已经广泛应用在手机、电脑和其他生活常用的移动电子设备。但是锂离子电池不可避免的具有毒性、安全性问题和有机电解液成本较高等问题。水系电解液是替代有机电解液的良好选择，目前已经得到了大量的关注。因为水系电解液具有价格低廉、容易合成、离子导电率较高、倍率性能较好和功率密度较高的特点。目前锌离子电池和钠离子电池是低价格、高容量、高导电性和资源储量丰富的优势。但是锌离子电池比锂离子电池和钠离子电池更安全、成本更低、更容易大规模应用。其中锌离子电池的比容量低、循环寿命差、因此很难大规模应用。因此开发新型的负极材料就变得非常重要。本文研发了Na₂V₆O₁₆·3H₂O负极材料，成功提高锌离子电池的性能，同时揭示了其储能机理。

【成果简介】

近日，韩国全南国立大学的Jaekook Kim（通讯作者）等人，研究发锌离子电池的Na₂V₆O₁₆·3H₂O纳米棒负极材料具有很高的储能。本文采用原位同步XRD技术揭示了锌离子嵌入和脱出的机理，解释了负极材料的储能机制。这种负极材料具有很高的倍率性能和很高的效率，即在40 C（1 C=361 mA·g^-1）循环1000圈后，其容量保持仍在80 %以上。在比功率为15.8 KW·kg^-1时，其比能量为90 Wh·kg^-1。相关成果以“Na₂V₆O₁₆·3H₂O Barnesite Nanorod: An Open Door to Display a Stable and High Energy for Aqueous Rechargeable Zn-Ion Batteries as Cathodes”为题发表在Nano Letters上。

【图文导读】

图1 Na₂V₆O₁₆·3H₂O的XRD、SEM及TEM结构表征

（a）Na₂V₆O₁₆·3H₂O前驱的PXRD图谱；

（b）NVO纳米氧化棒的高分辨SEM图像；

（c）Na₂V₆O₁₆·xH₂O的高分辨晶格条纹相；

（d）Na₂V₆O₁₆·xH₂O的晶体结构（插入图是平行于c轴，低分辨TEM图像）。

图2 NVO负极材料的CV和循环图

（a）NVO负极材料的CV图像；

（b）不同电流密度下，电池的充放电曲线；

（c）电池的500圈的循环性能。

图3 NVO负极材料的倍率和循环性能图

（a）不同电流密度下，NVO负极材料的倍率性能图；

（b）不同电流密度下，NVO负极材料的循环性能图。

图4 原位充放电过程中的XRD图谱

（a）在300 mAg^-1的电流密度下，电池的循环充放电图；

（b，c，d）充放电中，不同衍射角区间的原位XRD图。

图5 首次充放电后，负极材料的XRD和TEM图像

（a）NVO负极材料充放电后的非原位XRD图谱；

（i）首圈放电后，非原位的低分辨TEM图像；

（ii）是（i）的放大图；

（iii）首次充电后，非原位的低分辨TEM图像；

（iv）是（iii）的放大图。

图6 首次充放电后的XPS图及其负极材料的Ragone曲线

（a）首次放电到0.4 V 和充电到1.4 V后，V 2p和Zn 2p的非原位XPS图；

（b）锌电池不同负极材料的Ragone曲线。

【小结】

本文发现了层状Na₂V₆O₁₆·3H₂O材料，作为锌锂电池的负极材料，具有优异的稳定性。在40 C的电流密度下，循环1000圈后，其可逆容量仍达到128 mAh·g^-1。在比功率密度为15.8 KW·kg^-1时，其比能量密度为90 Wh·kg^-1。本文结合原位和非原位的结构分析，发现这种负极材料的具有高比能量的储能机制。本文为水系二次电池的研究，打开了新的视野。其中锌为正极，水系ZnSO₄电解液，不需要活性炭（石墨烯、氧化石墨烯）支撑，对于下一代大范围储能设备的应用，这种组装方式具有对环境友好、成本较低和负极材料特别稳定的特点。

文献链接：Na₂V₆O₁₆·3H₂O Barnesite Nanorod: An Open Door to Display a Stable and High Energy for Aqueous Rechargeable Zn-Ion Batteries as Cathodes（Nano Letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05403）。

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