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廣工大李成超EnSM:可循環2000+小時,電解液溶劑化結構調節立功!

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釩基化合物通常具有高比容量、長循環穩定性和高能量密度等明顯優點,因此成為水系鋅離子電池(ZIBs)正極的熱門選擇。然而,釩基正極傾向于溶解在弱酸性的鋅離子水溶液中,導致在低電流密度下嚴重的容量衰減。
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在此,廣東工業大學李成超教授等人提出了一種通過調節Zn2+的溶劑化結構來抑制釩溶解的新型水系電解液,從而顯著延長其循環壽命。具體而言,作者通過在2M Zn(OTF)2中引入一定量溶解度較高的LiOTF來設計該新型電解液(LiOTF的濃度為 0、3、6、8 M,相應的電解液分別命名為2+0、2+3、2+6、2+8)。諸如拉曼、FITR等各種測量表明,LiOTF可以有效減少游離水分子的數量,從而抑制水分子的活性。因此,釩在水中的溶解度顯著降低,從而形成穩定的電解液/正極界面。
重要的是,結合分子動力學模擬和非原位NMR分析表明,電解液溶劑化結構的優化可抑制電化學活化的去溶劑化水分子破壞正極界面,并最大限度地減少隧道中積累的共插層水分子數量,有利于抑制晶態向非晶態轉變并保持氧化釩主晶格的完整性。

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圖1. 2+8電解液對釩溶解的抑制作用
因此,2+8電解液中的VO2正極表現出令人印象深刻的循環穩定性,在400次循環后容量保持率達到了前所未有的98.2%,出色的容量保持能力意味著電池可以提供更長的使用壽命。2+8電解液使VO2正極在400次循環中的壽命延長至2072.2小時,遠遠超過2+0電解液(840.9小時)。異位HRTEM和XPS表征揭示了VO2的可能儲能機制,VO2的結構穩定性是實現高度可逆電化學反應不可或缺的因素。
此外,基于2+8電解液制造的軟包電池在0.1 A g-1的低電流密度下提供了192 mAh g-1的容量,500次循環后容量保持率為98.7%,證明了2+8電解液的實際應用可行性。總之,本研究提供了一種抑制釩溶解的有效策略,以在低電流密度下實現水系ZIBs中釩基正極的超長壽命。

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圖2. 2+8電解液在軟包電池中的實際可行性

Suppressing Vanadium Dissolution by Modulating Aqueous Electrolyte Structure for Ultralong Lifespan Zinc Ion Batteries at Low Current Density, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.03.038

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