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研究背景

水系鋅離子電池（AZIBs）是一種前景廣闊的能源存儲系統(tǒng)，因其高能量密度、低成本和非可燃性，在電動汽車、電網儲能以及便攜式電子設備等領域具有重要應用。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，鋅離子電池在電解液的導電性方面具有明顯優(yōu)勢，水系電解液的離子導電性可高達1 S·cm?1，而非水系電解液的離子導電性通常僅為1–10 mS·cm?1。然而，盡管水系鋅離子電池在離子導電性上具有優(yōu)勢，但金屬離子擴散的高活化能（Ea）以及固體-電解質界面的電荷轉移動力學限制了其超快充電性能，尤其是對Zn2?等多價離子的擴散挑戰(zhàn)。

成果簡介

為了克服這些挑戰(zhàn)，近年來，學術界一直致力于開發(fā)新型材料以降低金屬離子在固體材料中的擴散障礙。因此，東北師范大學劉益春（Yichun Liu）院士團隊、邵長路教授、李興華教授等人合作在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Amorphous organic-hybrid vanadium oxide for near-barrier-free ultrafast-charging aqueous zinc-ion battery”的最新論文。

該團隊設計并合成了AOH-VO，這種材料采用一維鏈條結構，形成無序的原子/分子級孔隙，促進了分層的離子擴散通道，減少了Zn2?離子與固體基體的相互作用。通過這一創(chuàng)新結構，AOH-VO顯著降低了Zn2?離子的擴散活化能（Ea），使得Zn2?在固體中的擴散Ea降至7.8 kJ·mol?1，而正極-電解質界面的擴散Ea也僅為6.3 kJ·mol?1，均遠低于傳統(tǒng)鋅離子電池電解液的Ea值（13.2 kJ·mol?1）。

本研究通過這種設計，AOH-VO材料顯著提高了電池的超快充電性能，實驗結果表明，Ah級袋式電池在9.5分鐘內即可充至81.3%的容量，且在5000次循環(huán)后保持了90.7%的容量。此外，AOH-VO的接近無障礙的Zn2?離子動力學為超快充電電池技術提供了新的思路。這些研究成果為開發(fā)穩(wěn)定的超快充電金屬離子電池提供了寶貴的理論依據和技術路線。

研究亮點

（1）實驗首次提出并實現了無定形有機-混合釩氧化物（AOH-VO）作為超快充電水系鋅離子電池（AZIBs）的正極材料，得到了極低的Zn2?擴散活化能（Ea），顯著提升了電池的充放電性能。

（2）實驗通過設計具有一維鏈條的無序結構，創(chuàng)建了原子/分子級的微孔，促進了分層離子擴散通道，從而有效降低了Zn2?與固體基體的相互作用。這種結構顯著減少了Zn2?離子在固體中的擴散能壘，達到了7.8 kJ·mol?1，遠低于傳統(tǒng)晶態(tài)氧化物的擴散能壘。

（3）實驗還通過測試Zn2?在正極-電解質界面上的擴散，發(fā)現其Ea值為6.3 kJ·mol?1，這一數值明顯低于水系鋅離子電池電解液的Ea（13.2 kJ·mol?1）。這一特性使得AOH-VO正極能夠實現超快的充放電性能。

（4）實驗驗證了AOH-VO電池的電化學性能，發(fā)現其在Ah級袋式電池中，9.5分鐘內即可充至81.3%的容量，并且在5000次循環(huán)后保持90.7%的容量，展現了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和快速充電能力。

圖文解讀

圖1：從VEG到AOH-VO的轉變。

圖2：AOH-VO微觀結構的直接觀察。

圖3：AOH-VO電極在充放電過程中的電化學動力學。

圖4：AOH-VO在水系鋅離子電池（AZIBs）中接近無障礙的Zn2?動力學。

圖5：組裝的硬幣電池和Ah級快充雙層袋式電池的AOH-VO正極電化學性能。

總結展望

本文報道了一種無定形有機-混合釩氧化物（AOH-VO），其通過隨機組裝1D-D-VO?鏈條形成了豐富的原子/分子級孔隙，這些孔隙可以充分暴露活性位點給電解液。最重要的是，它能顯著降低Zn2?從電解液擴散到固體中的活化能（Ea），界面過程的Ea為6.3 kJ·mol?1，固體內部遷移的Ea為7.8 kJ·mol?1。

這些值顯著低于電解液中的Ea（13.2 kJ·mol?1），表明Zn2?動力學幾乎沒有能量障礙，從而實現了超快充放電過程。此外，Zn2?與骨架之間的相互作用減弱，增強了穩(wěn)定性，表現出在100 A·g?1下超過17,000次的循環(huán)穩(wěn)定性。組裝的袋式電池在2 A·g?1下具有2.04 Ah的容量（約為0.1 A·g?1下容量的81.3%），且僅需9.5分鐘即可充電，并在超過5000次循環(huán)后穩(wěn)定保持性能。

這些結果突顯了AOH-VO在穩(wěn)定、安全和超快充電水系鋅離子電池（AZIBs）中的潛力。本研究為推動超快充電金屬離子電池中的離子動力學提供了創(chuàng)新的見解，并為未來的發(fā)展開辟了有前景的道路。

文獻信息

Liu, M., Li, X., Cui, M. et al. Amorphous organic-hybrid vanadium oxide for near-barrier-free ultrafast-charging aqueous zinc-ion battery. Nat Commun 15, 10769 (2024).

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2025/01/06/094c624dcf/

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