继锂硫电池之后，谁会成为下一个可充电二次电池的新宠儿？

开发高能量密度、高倍率性能、低成本、安全可靠、长寿命的先进可充电电池技术，对于电动汽车和储能电网等新兴的大规模储能应用具有重大的技术意义。尽管在便携式电子市场上取得了商业上的成功，但锂离子电池越来越被认为是不可持续扩大规模的，原因是锂的含量有限，以及使用易燃有机电解液带来的高安全风险。在这方面，开发基于天然丰富资源的水性可充电电池正成为当今一项紧迫而有吸引力的任务。在目前开发的锂离子技术以外的水性电池中，由于锌金属阳极的独特优势，如价格低廉、环境友好性和相对较低的氧化还原电位（−0.762 V vs Zn/Zn²⁺）等使锌离子电池占据了最广泛的地位。此外，与锂/钠离子电池相比，双电子（Zn^0/2+）氧化还原反应赋予锌离子电池（ZIBs）更高的理论容量（820 mAh g⁻¹）。

1、Advanced Materials：通过原位聚苯胺插层调整V₂O₅中锌离子嵌入/脱嵌的动力学可以改善水溶液中锌离子的存储性能

可充电锌离子电池（ZIBs）是一种很有前途的锂离子电池替代品。然而，开发的阴极材料存在Zn²⁺扩散动力学缓慢的问题，导致倍率性能差和循环寿命不足。在此，广东工业大学李成超教授提出了一种聚苯胺（PANI）原位插层策略，以促进Zn²⁺在V₂O₅中的插层动力学。这样，可以在V-O层之间交替地构造一个显著增大的层间距离（13.90 Å），为Zn²⁺的快速扩散提供了加速通道。重要的是，PANI独特的π-共轭结构可以有效地阻止Zn²⁺与宿主O^2-之间的静电相互作用，这是阻碍Zn²⁺扩散动力学的另一个关键因素。结果表明，PANI插层的V₂O₅在重复的Zn²⁺插入和脱嵌过程中表现出稳定且高度可逆的电化学反应。通过第一性原理计算进一步清楚地揭示了Zn²⁺和主体O^2-之间的结合能显著降低，这解释了PANI插层V₂O₅的良好动力学。得益于此，PANI插层的V₂O₅电极的整体电化学性能显著提高，在电流密度为20 A g^-1时，表现出197.1 mAh g⁻¹的优良高倍率性能，在2000次循环中容量保持率为97.6%。该成果以“Tuning the Kinetics of Zinc-Ion Insertion/Extraction in V₂O₅ by In Situ Polyaniline Intercalation Enables Improved Aqueous Zinc-Ion Storage Performance”为题，发表在Adv. Mater.上。DOI: 10.1002/adma.202001113。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202001113.

2、Advanced Science：可调节层状(Na,Mn) V₈O₂₀·nH₂O阴极材料实现高性能水溶液锌离子电池

可充电水溶液锌离子电池（ZIBs）在储能方面有着广阔的应用前景。然而，ZIBs的发展一直受到阴极候选材料有限的困扰，通常表现出容量低或循环性能差等缺点。因此，山东大学刘宏教授课题组报道了一种可逆的Zn/（Na，Mn）V₈O₂₀·nH₂O体系，在NaV₈O₂₀中引入锰离子形成（Na，Mn）V₈O₂₀，在电流密度为0.1A g⁻¹时，其电化学容量为377 mAh g⁻¹。通过实验和理论分析，发现（Na，Mn）V₈O₂₀·nH₂O的优异性能归因于Mn²⁺/Mn³⁺诱导的高电导率和Na⁺诱导Zn²⁺的快速迁移。作者探讨了以铁、钴、镍、钙、钾取代锰，从（Na，Mn）V₈O₂₀·nH₂O中衍生出的其它阴极材料，以证实过渡金属离子的独特优势。随着NaV₈O₂₀（Na_0.33，Mn_0.65）中Mn含量的增加，V₈O₂₀·nH₂O在1000次循环后可提供150 mAh g⁻¹的可逆容量和99%的容量保持率，这为开发高性能水系ZIBs开辟了新的道路。该研究成果以“Tunable Layered (Na,Mn)V₈O₂₀·nH₂O Cathode Material for High-Performance Aqueous Zinc Ion Batteries”为题，发表在Adv. Sci.上。DOI: 10.1002/advs.202000083。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000083.

3、Advanced Energy Materials：水性可充电锌离子电池无枝晶阳极的策略

由于其经济性、安全性和高能量密度，用于大规模生产储能系统的水性锌离子电池（ZIBs）一直受到关注。保证电极/电解液界面的稳定性对于延长循环性能以满足电池充电的实际要求尤为重要。锌阳极由于枝晶生长严重，循环寿命差，库仑效率低，以及不可逆的副产物，如H₂和不活泼的氧化锌。近年来，人们致力于锌阳极保护以设计高性能ZIBs。然而，人们对镀锌/剥离的内在根源知之甚少，这大大阻碍了其潜在的应用。因此，复旦大学沈剑锋教授团队发表了一篇综述文章，这篇综述不是集中在电池指标上，而是深入研究触发锌离子沉积/溶解的基础科学。此外，还着重介绍了近年来在调控锌配位环境、均匀界面电场、诱导锌沉积等方面的研究进展。最后，提出了设计高稳定性锌阳极的展望和建议。该成果以“Strategies for Dendrite-Free Anode in Aqueous Rechargeable Zinc Ion Batteries”为题，发表在Adv. Energy Mater上。DOI：10.1002/aenm.202001599。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202001599.

4、Advanced Science：建立高倍率性能和超稳定无枝晶有机阳极为可再充水锌电池

考虑到低成本、安全性和耐久性，与锂离子电池相比，锌离子水电池(ZIBs)是一种可用于大规模电网应用的替代能源存储系统。然而，电池系统的可靠性一直受到巨大的锌枝晶形成和“死锌”的严重挑战，从而导致循环稳定性低下，甚至电池短路。近日，哈尔滨工业大学张乃庆教授团队报道了一种无枝晶的有机阳极，聚吡啶-3,4,9,10-四羧基二亚胺(PTCDI)聚合在ZIBs中使用的氧化石墨烯(PTCDI/rGO)表面上。理论计算证明了氧化还原电位低的原因。由于质子和锌离子的共相转移机理和较高的电荷转移能力,PTCDI / rGO电极提供优越的倍率性能和长循环寿命(1500次后后保留96%的容量)。此外，还通过各种脱位方法阐明了活性材料的质子储能机理。该成果以“Building High Rate Capability and Ultrastable Dendrite-Free Organic Anode for Rechargeable Aqueous Zinc Batteries”为题，发表在Adv. Sci.上。DOI: 10.1002/advs.202000146。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202000146

5、Advanced Energy Materials：超长循环水溶液锌离子电池八面体原位碳还原价态设计

近年来，可充电水溶液锌离子电池（ZIBs）备受关注。然而，Mn²⁺的歧化效应严重影响了ZIBs在循环过程中的容量保持。近日，湖北大学王浩教授通过有效的价态设计，提高了Mn₃O₄阴极的容量保持率。Mn₃O₄的价态设计是由碳化过程中Mn金属有机骨架原位生成的氧缺陷引起的。氧缺陷可以改变（MnO₆）八面体结构，提高结构稳定性，抑制Mn²⁺的溶解。由氧缺陷Mn₃O₄@C纳米棒阵列(O_d-Mn₃O₄@CNA/CC）组装的ZIB具有超长的循环寿命，在5 A g⁻¹下进行12000次循环后达到84.1 mAh g⁻¹（高达初始容量的95.7%）。此外，电池在0.2 A g⁻¹时具有396.2 mAh g⁻¹的高比容量。原位表征结果表明，初始Mn₃O₄转化为斜方型MnO₂，用于H⁺和Zn²⁺的插入和脱嵌。电荷密度大大提高的原理之一是电荷密度的增加。此外，用O_d-Mn₃O₄@CNA/CC成功地组装了柔性准固态ZIB。氧缺陷诱导的价态设计有助于开发水性ZIBs阴极。该研究成果以“Valence Engineering via In Situ Carbon Reduction on Octahedron Sites Mn₃O₄ for Ultra-Long Cycle Life Aqueous Zn-Ion Battery”为题，发表在Adv. Energy Mater.的期刊上。DOI: 10.1002/aenm.202001050。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202001050.

6、Energy & Environmental Science：高性能水溶液锌离子电池锌阳极材料和结构设计面临的挑战

可再充水金属离子电池作为后锂离子时代的替代性储能装置，具有绿色、安全等特点，具有广阔的应用前景。水性锌离子电池（ZIBs）由于其独特而突出的优点，在各种水性金属离子电池中得到了广泛的研究。然而，ZIB中存在的锌阳极问题如锌枝晶和副反应严重缩短了ZIBs的循环寿命，从而限制了其实际应用。在这里，广东工业大学李成超教授团队详细的总结了基于先进材料和结构设计的抑制锌枝晶和锌阳极副反应的总体策略的最新进展，包括平面锌电极表面层的改性、锌块电极内部结构的优化、锌阳极副反应的抑制，电解液改性及多功能隔膜的结构。讨论了各种功能材料、结构和电池效率。最后，指出了ZIBs在生产功能性锌阳极方面面临的挑战。该研究成果以“Challenges in Material and Structure Design of Zinc Anode toward High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在能源环境领域著名期刊Energy Environ. Sci.上。DOI: 10.1039/D0EE02079F。

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/EE/D0EE02079F#!divAbstract.

7、ACS Nano：超长寿命水溶液锌离子电池用钒酸钾/碳纳米管膜

在各种储能装置中，水溶液锌离子电池（ZIBs）因其安全性高、成本低而备受关注。层状钒基化合物是水系ZIBs最有前途的阴极之一。然而，在工作过程中，它们经常会受到性能衰退的困扰。在此，南开大学牛志强教授制备了KV₃O₈·0.75H₂O（KVO）材料，并将其与单壁碳纳米管（SWCNTs）网络结合，得到了独立的KVO/SWCNTs复合膜。KVO/SWCNTs阴极具有Zn²⁺/H⁺插入/脱嵌机制，离子转移速率快。此外，KVO/SWCNTs复合膜具有分离网络结构，提供了快速的电子转移动力学，保证了KVO和SWCNTs在循环过程中的紧密接触。因此，所制备的电池具有379 mAh g^-1的高容量，优异的倍率性能，超长的循环寿命高达10000次循环，高容量保持率为91%。此外，由于KVO/SWCNTs薄膜具有较高的导电性和柔韧性，在不同弯曲状态下组装了柔性软包ZIBs，并表现出稳定的电化学性能。该研究成果以“Freestanding Potassium Vanadate/Carbon Nanotube Films for Ultralong-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在材料领域著名期刊ACS Nano上。DOI: 10.1021/acsnano.9b10214。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b10214.

8、Angewandte Chemie International Edition：原位转化V₂O₅原子层的高性能锌离子电池阴极

开发高容量、稳定的阴极是水溶液锌离子电池成功商业化的关键。纯层状五氧化二钒具有较高的理论容量（585 mAh/g），但容量衰减严重。在五氧化二钒中预插入阳离子可以极大地稳定性能，但以降低容量为代价。近日，南卡罗来纳大学Kevin Huang教授报道了一个原子层沉积衍生的五氧化二钒，可以作为一个优秀的ZIBs阴极，具有高容量和优异的循环稳定性。作者首次报道了V₂O₅原子层快速转化为Zn₃V₂O₇(OH)₂·2H₂O（ZVO）纳米片簇，也是一种已知的锌离子和质子插层材料。ALD-V₂O₅独特的电化学性能源于其独特的特性：高浓度的反应位点、与导电基底的牢固结合、纳米厚度和无粘结剂的组成，所有这些都有助于离子传输并促进活性材料的最佳利用。作者还提供了不同锌盐水电解质的V₂O₅溶解机理及其对循环稳定性的影响的新见解。这个工作为开发高容量和稳定的商用ZIBs阴极提供了一个有吸引力的工程解决方案，并有助于对可充电水电池中离子储存机理的基本理解。该项研究成果以“A High Performing Zn-ion Battery Cathode Enabled by in-situ Transformation of V₂O₅ Atomic Layers”为题，发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。DOI: 10.1002/anie.202006171。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202006171.

9、Advanced Functional Materials：局部Ostwald熟化引导溶解/再生到中国古代硬币状VO₂纳米板，增强了锌离子储存的质量转移

水溶液可再充锌离子电池（ZIBs）中电极与电解液界面的电荷与传质对电池的能量转换和储存具有重要意义。针对这些问题，如何合理设计和制备具有强传质特性的独特纳米结构仍然面临着巨大的挑战。近日，复旦大学沈剑锋教授团队成功地制备了具有新颖的中国古代钱币结构（厚度≈50 nm，直径≈500 nm，中间有一个孔）的高度均匀、圆整的新型纳米二氧化钒（VO₂）纳米板。在水热过程中，VO₂纳米板经历了一个有趣的Ostwald成熟引导的溶解-再生过程，形成了中国古代罕见的钱币结构。令人印象深刻的是，基于丰富的电解可达位点和转移途径的结构优点，可以增强在制备的VO₂纳米板电极表面的传质。VO₂纳米板进一步为可充电ZIBs提供高可逆比容量和倍率性能。因此，这项工作为设计独特的纳米结构钒氧化物以提高水溶液ZIBs的电化学性能提供了一条新的途径。该研究成果以“Localized Ostwald Ripening Guided Dissolution/Regrowth to Ancient Chinese Coin-shaped VO₂ Nanoplates with Enhanced Mass Transfer for Zinc Ion Storage”为题，发表在Adv. Funct. Mater.上。DOI: 10.1002/adfm.202000472。

原文链：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202000472.

10、Energy Storage Materials：用强耦合非晶V₂O₅/石墨烯 2D异质结构构建高容量超长循环寿命水溶液锌离子电池

水溶液锌离子电池（ZIBs）是一种极具竞争力、极为安全的电化学储能装置，但由于阴极材料的结构不稳定，循环性差，容量难以达到预期要求。因此，大连化学物理研究所吴忠帅团队报道了一种通用的2D模板离子吸附方法，用于组装具有高度稳定的逐层堆叠结构和6 nm超薄厚度的2D非晶态V₂O₅/石墨烯异质结构，用于高安全、可充电的水性ZIBs。由于具有强协同效应的独特特性，所制备的ZIBs在0.3 A/g时具有447 mAh/g的高容量，在30 A/g时的超大倍率下，容量为202 mAh/g，且循环寿命可达20000次，大大优于报道的钒基ZIBs。此外，采用掩模辅助过滤策略构建的新概念平面状锌离子微电池，在0.2 mA/cm²下具有63 mAh/cm³的大容量，49 mWh/cm³的高体积能量密度，强大的灵活性，以及串联和并联的模块化集成，以提高容量和电压输出，显示出作为微型电源的巨大潜力。因此，这种方法将为ZIBs和其它电池提供机会，以构建具有快速离子电子导电性的逐层堆积二维异质结构。该研究成果以“Layer-by-layer Stacked Amorphous V₂O₅/Graphene 2D Heterostructures with Strong-Coupling Effect for High-Capacity Aqueous Zinc-Ion Batteries with Ultra-Long Cycle Life”为题发表在Energy Storage Materials上。DOI: 10.1016/j.ensm.2020.06.010。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829720302245?via%3Dihub

本文由科研百晓生供稿。

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