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 可再充電的“搖椅型”水系鋅離子電池具有成本低廉、安全性高、環(huán)境友好、組裝方便等優(yōu)點，是一類潛在的儲能技術(shù)。然而，一般的正極材料在二價鋅離子嵌脫過程存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和擴散緩慢的問題;同時，鋅負極在循環(huán)過程中極易形成枝晶，導(dǎo)致電池短路。因此，尋找合適的正極材料和有效抑制鋅枝晶的方法，是一個巨大的挑戰(zhàn)。

【成果簡介】

近日，華中科技大學(xué)蔣凱和王康麗教授(共同通訊作者)，成功開發(fā)了Na3V2(PO4)2F3正極材料(N3VPF@C)，同時通過修飾金屬Zn負極(CFF-Zn)，組裝了CFF-Zn// N3VPF@C水系鋅離子電池。該電池體系具有1.62V電壓，97.5Wh/kg的能量密度和長達4000圈的循環(huán)壽命(95%容量保持率)。作者通過非原位XPS、XRD和SEM mapping等表征了電池的機理。值得注意的是，基于CFF-Zn//N3VPF@C的軟包電池同樣具有良好的循環(huán)性能。相關(guān)成果以題為“A long-life aqueous Zn-ion battery based on Na3V2(PO4)2F3 cathode”發(fā)表在了Energy Storage Materials 上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 材料結(jié)構(gòu)和電池性能表征

a)N3VPF@C的XRD圖譜;插圖為N3VPF@C的SEM圖;

b)CFF-Zn//N3VPF@C電池的CV曲線;

c)CFF-Zn//N3VPF@C電池的充放電曲線;

d)CFF-Zn//N3VPF@C電池結(jié)構(gòu)和機理示意圖;

圖2 電池電化學(xué)性能表征

a)CFF-Zn//N3VPF@C電池的倍率容量性能;

b)CFF-Zn//N3VPF@C電池的不同倍率下的充放電曲線;

c)CFF-Zn//N3VPF@C電池在200mA/g電流密度下循環(huán)性能;

d)Zn//N3VPF@C電池在200mA/g電流密度下循環(huán)性能;

e)CFF-Zn//N3VPF@C電池在1000mA/g電流密度下循環(huán)性能;

圖3 Zn 和CFF-Zn形貌表征

a)原始Zn的SEM照片;

b)循環(huán)后Zn的SEM照片;

c)原始CFF-Zn的SEM照片;

d)循環(huán)后CFF-Zn的SEM照片;

圖4 循環(huán)前后N3VPF@C電極的表面結(jié)構(gòu)變化

a)不同充放電狀態(tài)下Zn2p的XPS圖譜;

b)不同充放電狀態(tài)下V2p的XPS圖譜;

c)不同充放電狀態(tài)下C1s的XPS圖譜;

d)不同充放電狀態(tài)下F1s的XPS圖譜;

圖5 N3VPF@C電極不同充放電狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)變化

圖6 CFF-Zn//N3VPF@C軟包電池的性能

a-e) CFF-Zn//N3VPF@C軟包電池的數(shù)碼照片;

f) CFF-Zn//N3VPF@C軟包電池的循環(huán)性能;

【小結(jié)】

該研究展示了一種新型的鋅離子電池正極材料和抑制鋅枝晶的方法，并構(gòu)建了高電壓、長壽命的“搖椅型”CFF-Zn// N3VPF@C水系鋅離子電池。發(fā)現(xiàn)，N3VPF@C正極材料的穩(wěn)定性主要來源于其高度可逆的V3+ ↔ V4+電對、正極表面形成的SEI膜和正極忽略不計的體積變化(0.22%)。而Zn負極通過簡單的碳膜修飾，可以有效抑制鋅枝晶的生成。該研究結(jié)果和策略，有望為水系鋅基電池提供新的思路和方法。

文獻：A long-life aqueous Zn-ion battery based on Na3V2(PO4)2F3 cathode (Energy Storage Mater., 2018，DOI：10.1016/j.ensm.2018.03.003)

原標(biāo)題:華中科大蔣凱&王康麗Energy Storage Mater. : 基于Na3V2(PO4)2F3正極的長壽命水溶液鋅離子電池