先进能源材料化学教育部重点实验室(南开大学) Key Laboratory of Advanced Energy Materials Chemistry, Ministry of Education (Nankai University)

牛志强研究团队在提升水系锌离子电池电化学性能方面获最新研究进展

发布人:李海霞 时间:2018-04-28

    随着锂离子电池在便携式电子器件、电动汽车等领域的广泛应用,锂资源的价格不断攀升,同时,有机电解液的使用也使得传统锂离子电池面临着安全问题,因此,水系金属离子电池由于其高安全性和低成本受到了广泛的关注。在各种水系金属离子电池中,水系锌离子电池使用在水系电解液中化学性能稳定、比容量高的锌金属(理论比容量高达820 mAh g-1)作为负极,同时,锌负极具有生产工艺成熟,廉价等优势,因此水系锌离子电池是比较有前景的水系金属离子电池体系之一。但是,水系锌离子电池正极材料和储能机理的研究尚处于初级阶段,仍然面临着许多问题,例如:已报道的正极材料通常比容量较低,而且循环稳定性较差,机理有待于深入研究。
    针对上述问题,重点实验室牛志强研究员团队通过简单的溶解重结晶法制备了NaV3O8•1.5H2O纳米带,并将其作为锌离子电池的正极活性材料,组装了水系Zn/NaV3O8•1.5H2O电池体系,在此电池体系中,NaV3O8•1.5H2O纳米带独特的结构有效缩短了充放电过程中离子在电极材料中的传输路径,另外,进一步通过在硫酸锌电解液中加入硫酸钠,有效地抑制了充放电过程中NaV3O8•1.5H2O的溶解和负极锌枝晶的生长。更为重要的是,不同于传统的锌离子嵌入机理, Zn/NaV3O8•1.5H2O电池体系表现出了H+和Zn2+的双离子连续共嵌入机理。因此,水系Zn/NaV3O8•1.5H2O电池体系展示了高达380 mAh g-1的比容量及优异的倍率性能和循环稳定性(在4 A g-1的电流密度下,1000次循环后,容量保持率高达82%)。NaV3O8•1.5H2O纳米带高的长径比将有助于电极在弯曲过程中能保持结构稳定,基于此,本工作组装了准固态的柔性锌离子电池,器件在不同弯曲状态下,展示了稳定的电化学性能。本工作为提高水系锌离子的性能提供了新思路,并且将促进水系锌离子电池在柔性储能器件上的应用。相关工作发表在Nature Communications 2018,9,1656上。