文 章 信 息

MXene衍生水合釩酸鹽策略實(shí)現(xiàn)高倍率長(zhǎng)壽命鋅離子電池

第一作者：朱嘯東

通訊作者：沈劍鋒*，葉明新*

單位：復(fù)旦大學(xué)

研 究 背 景

聚合物固態(tài)電解質(zhì)相比傳統(tǒng)的液態(tài)電解液具有更好的熱穩(wěn)定性，并且相比陶瓷電解質(zhì)更易于大規(guī)模生產(chǎn)，因此被認(rèn)為是非常有吸引力的下一代電解質(zhì)材料。但是，越來越多的研究表明，聚合物固態(tài)電解質(zhì)和其他電池組件（例如電極和電解質(zhì)填充物）之間的不穩(wěn)定性會(huì)阻礙其實(shí)際應(yīng)用。

本篇觀點(diǎn)展示了近期研究此類界面問題機(jī)理的一些工作，特別是在具有高能量密度的金屬鋰/4V正極體系中。同時(shí)還回顧了近期在降低此類界面不穩(wěn)定性方面取得的進(jìn)展，并就如何進(jìn)一步理解和解決這些問題進(jìn)行了討論。本文為未來的研究提供了方向，有助于加速聚合物固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域的研究及實(shí)際應(yīng)用。

文 章 簡(jiǎn) 介

在這里，來自復(fù)旦大學(xué)的葉明新教授和沈劍鋒教授，在國(guó)際知名期刊Energy Storage Materials上發(fā)表題為“Ion-intercalation Regulation of MXene-Derived Hydrated Vanadates for High-Rate and Long-Life Zn-Ion Batteries”的研究論文。

這里提出了一種離子插層MXene衍生物的通用策略制備出高倍率正極材料。通過基于堿化V2CTx?MXene的易氧化性和親陽離子性，原位衍生出Mn2+插層的水合釩酸鹽（MVO@VC）。MVO@VC繼承了MXene的固有導(dǎo)電性，這可以促進(jìn)更快的Zn2+擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。

此外，衍生化策略還擴(kuò)展到Li+和Al3+插層的水合釩酸鹽，它們也表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。成功的拓展表明，這一概念不僅為開發(fā)可靠的多價(jià)離子電池提供了借鑒，而且還可以推廣到制備各種MXene衍生物以獲得更廣泛的應(yīng)用。

圖1 MVO@VC的合成和組成

本 文 要 點(diǎn)

要點(diǎn)1：

V2CTx MXene被低濃度KOH溶液輕微堿化。堿化處理可以有效地?cái)U(kuò)大MXene的層間空間，降低其zeta電位，這在后續(xù)的合成過程中起著至關(guān)重要的作用。隨后，利用其氧化性和陽離子親和力，在一步反應(yīng)中，堿性V2CTx被氧化并被Mn2+插層形成由MVO納米帶和導(dǎo)電骨架組成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)（MVO@VC）。

MVO@VC可以繼承部分保留的MXene納米碎片和殘余碳的導(dǎo)電框架。此外，Mn2+和H2O的共插層還可以有效減少M(fèi)VO層之間的靜電相互作用。因此具有豐富納米通道的MVO@VC正極材料有望表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，并擴(kuò)展到其他價(jià)態(tài)離子插層的研究。
要點(diǎn)2：

堿化V2CTx由于K離子的插層和層間空間的擴(kuò)展，呈現(xiàn)出清晰的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)。在隨后的Mn2+插層和氧化過程中，堿化V2CTx原位轉(zhuǎn)化為由寬度約為160 nm的扁平細(xì)長(zhǎng)納米帶互連的微觀結(jié)構(gòu)，并保留導(dǎo)電碳框架。
要點(diǎn)3：

插層Mn2+誘導(dǎo)更多的V4+離子具有更大的離子半徑和更多的3d電子，從而擴(kuò)大了晶格間距，提高了導(dǎo)電性。因此，在高電流密度下，預(yù)插層Mn2+和導(dǎo)電骨架的雙重效應(yīng)有助于快速離子擴(kuò)散，增加倍率和容量，降低極化。值得注意的是MVO@VC的性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他正極材料，特別是在高功率密度區(qū)域，表現(xiàn)了下一代儲(chǔ)能的巨大潛力。
要點(diǎn)4：

即使在高掃描倍率下，電極的氧化還原反應(yīng)也可以實(shí)現(xiàn)高可逆性。MVO@VC的鋅離子擴(kuò)散系數(shù)（D）高于VOH以及所報(bào)道的ZIBs正極材料。導(dǎo)電骨架和Mn2+的雙重作用有利于鋅離子在嵌入/脫出過程中的快速擴(kuò)散，從而提高Zn2+的D值。

結(jié)果表明，MVO@VC電極具有良好的Zn2+動(dòng)力學(xué)過程，提高了倍率性能。此外，放電和充電之間D的微小差異表明Zn2+的嵌入/脫出過程具有良好的可逆性。
要點(diǎn)5：

為了探索這種衍生化策略更廣泛的應(yīng)用，我們研究了Li+/Al3+插層水合釩酸鹽，這是由堿化V2CTx衍生的其他優(yōu)秀正極材料。在此基礎(chǔ)上，我們得出結(jié)論，通過合理設(shè)計(jì)氧化（硫化/氮化）處理和同時(shí)對(duì)各類MXene的離子插層的概念可以很容易地?cái)U(kuò)展到不同的體系和應(yīng)用。

文 章 鏈 接

Ion-intercalation Regulation of MXene-Derived Hydrated Vanadates for High-Rate and Long-Life Zn-Ion Batteries

https://pubs.acs.org/doi/10.1016/j.ensm.2021.12.002

通 訊 作 者 簡(jiǎn) 介

葉明新 教授

復(fù)旦大學(xué)專用材料與裝備技術(shù)研究院教授。通訊作者在同行評(píng)議期刊上發(fā)表論文160余篇，被引8000余次。目前的研究重點(diǎn)是增強(qiáng)復(fù)合材料和用于能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換的先進(jìn)材料。
沈劍鋒 教授

復(fù)旦大學(xué)專用材料與裝備技術(shù)研究院教授。通訊作者在同行評(píng)議期刊上發(fā)表論文150余篇，被引近8000次。目前的研究重點(diǎn)是二維材料基能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換材料。

第 一 作 者 介 紹

朱嘯東 博士

現(xiàn)復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系在讀博士研究生，師從葉明新教授。主要研究方向?yàn)樾滦蚆Xene的合成及其在水系鋅離子電池的應(yīng)用與設(shè)計(jì)。Nano Energy期刊審稿人。以第一作者在Energy Storage Materials、 ACS Nano等期刊發(fā)表8篇SCI論文。

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