大层间距及高稳定性的钒基水系锌离子电池正极新材料

近日，我所无机膜与催化新材料研究组（504组）杨维慎研究员和朱凯月副研究员团队在水系锌离子电池正极材料研究方面取得新进展，发展了一种离子交换诱导相变方法，制备了具有超大层间距及高稳定性的针钒钙石ZnV₆O₁₆·8H₂O（ZVO）新材料，并将其用作水系锌离子电池正极，表现出优异的倍率性能和长期循环稳定性。

　　水系锌离子电池具有能量密度高、安全性好、成本低等优点，在储能领域潜力巨大。在正极侧，层状结构的钒基材料由于其结构灵活、氧化还原电位合适、比容量高等优点，成为水系锌离子电池正极研究的热点，目前最具代表的材料是A₂V₆O₁₆·nH₂O（AVO，A=NH₄⁺，Na，K）。但AVO层间距较小（大约3Å），以及在水系电解质中溶解严重等问题，导致其电池倍率性能和循环稳定性不理想。

　　本工作中，研究团队提出了离子交换诱导相变的方法，使用水合锌离子取代AVO层间的A离子，可显著增大层间距（大约6Å）；在离子交换过程中还进一步诱导AVO中由[VO₆]八面体和[VO₅]四方锥构成的V₆O₁₆层，转化成独具[VO₆]八面体构成的V₆O₁₆层，后者在水中具有较好的结构稳定性。得益于超大层间距和高稳定性层结构，ZVO在水系锌离子电池中表现出远优于AVO的倍率性能和循环稳定性，例如，在0.5和15A/g下，分别具有365和170mAh/g的高容量，以及300次循环后其容量保持在86%，10000次循环后其容量保持在70%。

　　该工作不仅开发出一类高性能的水系锌离子电池正极新材料，还提出了一种离子交换诱导相变的正极材料设计新策略，为大层间距且稳定的正极材料的设计提供了新思路。

　　上述工作以“Hewettite ZnV₆O₁₆·8H₂O with Remarkably Stable Layers and Ultralarge Interlayer Spacing for High-Performance Aqueous Zn-Ion Batteries”为题，于近日发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.）上。该工作的第一作者是我所朱凯月副研究员和中国科学技术大学硕士研究生蒋伟康。上述工作得到了我所创新基金、中科院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”等项目的支持。（文/图 朱凯月、蒋伟康）

　　文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202213368