文章信息
V4C3MXenes衍生的二维Mg0.2V2O5·nH2O纳米带用于高稳定性水系锌离子电池
第一作者：关杰多
通讯作者：邵涟漪*，孙志鹏*
单位：广东工业大学
研究背景
锂资源的储量少和分布不均匀，导致锂离子电池的生产成本高，限制了其在大规模储能中的应用。锌离子电池由于成本低、资源丰富、无污染、锌负极安全性高、水电解液导电率高而被认为是储能领域潜在的替代品。
然而，二价Zn2+与主材料晶格之间的强静电相互作用导致离子输运动力学缓慢，破坏了主材料的层状或通道结构。因此，具有令人满意的循环和速率性能的电极材料仍有待探索。本篇文章展示了在V2O5宿主材料的层间预先嵌入Mg2+和结构水，Mg2+和结构水可以扩大离子传输通道和减少静电效应，从而提高循环和速率性能。在Mg2+和结构水的协调作用可以有效提高V2O5层状结构的稳定性和离子迁移率。
文章简介
本文中，广东工业大学孙志鹏教授/邵涟漪特聘副教授团队在国际知名期刊ChemicalEngineeringJournal上发表题为“Two-dimensionalMg0.2V2O5·nH2ONanobeltsDerivedfromV4C3MXenesforHighlyStableAqueousZincIonBatteries”的文章，该文章通过水热法将V4C3MXenes衍生为二维的V2O5，并在其层间进行了Mg2+和结构水的预嵌。以制得的Mg0.2V2O5·nH2O为正极，金属锌为负极组装扣式电池和软包电池均表现出高的比容量和稳定的循环性能。同时还使用了XRD，XPS，SEM和TEM多种表征手段对材料的储锌机制进行了深入的探究，并得出了可靠的结论。
图1:Mg0.2V2O5·nH2O的(a)SEM，(b)TEM，(c)SAED，(d)TEMmapping图
图2：Mg0.2V2O5·nH2O(a-c)非原位XRD图谱，(d,e)非原位XPS图谱，(f,h)首周放电状态下，(g,i)首周充电状态下的HRTEM和mapping图片
图3：软包电池在(a)0.1Ag-1电流密度下的循环性能，(b)电流密度为0.1-5Ag-1时的充放电曲线，(c)倍率性能和软包电池点亮灯泡图片，(d)1Ag-1电流密度下的循环性能
本文要点
要点一：V4C3MXenes衍生制备Mg0.2V2O5·nH2O纳米带
MXenes作为新型的二维无机材料，它具有高比表面积、高电导率的特点，又具备组分灵活可调，纳米层结构可控等优势，已在储能、吸附、传感器、导电填充剂等领域展现出巨大的潜力。但是单纯的MXenes材料在离子储存上无法展现优异的性能。于是，研究者把目光聚集在了其衍生出的物资上。V4C3MXenes经过H2O2的氧化衍生成为Mg0.2V2O5纳米带，得到的衍生物既继承了MXenes材料独特的二维结构，又具备良好的离子存储结构。二维的纳米带结构应用在水系锌离子电池中能够有效提高电解液与材料的接触界面，同时可以大大缩小Zn2+和电子在电极上的传输路径，使得离子可以在材料与电解液界面快速完成嵌入和脱出，优化电极材料的离子传输动力学。
要点二：Zn2+储存机制
水系锌离子的离子储存机制存在三种为主流所认可的机制，所以对于水系锌离子正极材料的研究，将锌离子的存储机制表征清楚显得尤为重要。此项研究工作中，作者采用XRD，XPS，SEM和TEM多种表征手段进行了深入的研究。研究中使用非原位XRD既分析了具有强静电作用力的Zn2+的嵌入脱出对宿主材料特定晶格的影响，又通过对充放电过程中Zn3(OH)2V2O7·2H2O物相的动态变化确定了材料的储锌机制为Zn2+/H+共嵌的机制。并且在充放电的TEM表征中对这一机制进行了二次验证。非原位的XPS中对V元素分谱分析中，V元素价态随着充放电状态变化的演变也符合电极材料发生氧化还原反应的规律。
要点三：软包电池应用的探索
水系锌离子电池因其成本低、无污染、锌阳极安全性高等优势，在大型储能设备上具有相当客观的前景，所以，在扣式电池研究的基础上，对于大面积，高载量的软包电池的探索是十分必要的。该研究将Mg0.2V2O5为正极，金属锌为负极组装软包电池测试系统。在0.1Ag-1时，软包电池的第一次充电容量为mAhg-1，经过35次循环后容量保持在mAhg-1，容量保持率为92%。软包电池在1Ag?1的大电流密度下，经过次循环后仍可提供mAhg-1的容量。单个的软包电池可以点亮小灯泡，这优异的容量和循环稳定性以及展现出来的实用价值，证明Mg0.2V2O5电极在储能设备的应用上是具有潜力的。
文章链接
Two-dimensionalMg0.2V2O5·nH2ONanobeltsDerivedfromV4C3MXenesforHighlyStableAqueousZincIonBatteries
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