水系鋅離子電池 (AZIBs) 是極具吸引力的儲能裝置，它受益于提高的安全性和可忽略的環(huán)境影響。 V2O5 基正極很有前景，但釩的溶解是實(shí)現(xiàn)其在 AZIB 中穩(wěn)定性能的主要挑戰(zhàn)之一。在此，我們通過范德華自組裝方法在 V2O5 納米板 (VPMX) 表面設(shè)計了一個 Ti3C2Tx MXene 層，用于在電化學(xué)過程中抑制釩的溶解，從而大大提高鋅離子的存儲性能。與傳統(tǒng)的 V2O5/C 復(fù)合材料不同，我們證明了 VPMX 雜化物為實(shí)現(xiàn)高性能 AZIB 提供了三個顯著特征：（i）陰極表面的 MXene 層保持結(jié)構(gòu)完整性并抑制 V 溶解； (ii) V2O5 和 MXene 之間的異質(zhì)界面能夠改善主體電化學(xué)動力學(xué)； (iii) 由于 VPMX 陰極中的潤滑水分子，主體層之間存在減少的靜電排斥，促進(jìn)界面 Zn2+ 擴(kuò)散。因此，制成的 VPMX 正極顯示出超過 5000 次循環(huán)的長期循環(huán)穩(wěn)定性，超過了其他報道的基于 V2O5 的材料。特別是，我們發(fā)現(xiàn) V2O5 和 MXene 之間的異質(zhì)界面以及主體中的潤滑水分子可以提高 AZIBs 的倍率性能（5.0 A g-1 時為 243.6 mAh g-1）。
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Figure 1. V2O5納米板/MXene雜化物的制備和形貌。 (a) V2O5 納米板/MXene 雜化物的合成示意圖。 (b) V2O5 納米板的 SEM、(c) HRTEM 和 (d) SAED 圖像。 VPMX73 的 (e, f) SEM、(g) HADDF-STEM 和 (h-j) 元素映射圖像。
Figure 2. 樣品的結(jié)構(gòu)表征。 (a) XRD 圖案和 (b) 所有樣品的拉曼光譜。 (c) MXene 和 (d) VPMX73 的 C 1s XPS 曲線。 (e) MXene 和 (f) VPMX73 的 Ti 2p 輪廓。 (g) 不同電極與電解質(zhì)之間接觸角的光學(xué)圖像。
Figure 3. VPMX73 陰極的鋅存儲行為的原位 XRD 表征。 (a) 具有相應(yīng)電壓分布的原位 XRD 表征的等高線圖和 (b) 選擇性衍射圖案。 (c) 顯示 VPMX73 中可逆 Zn2+ 和水嵌入/脫嵌的方案。
Figure 4. 鋅存儲性能和 MXene 抑制 V2O5 納米板/MXene 混合物中的 V 溶解。 (a) VPMX73 在 100 mA g-1 時的電壓曲線，(b) 所有樣品的倍率容量 (0.1-5 A g-1)，和 (c) 在 10 A g-1 電流密度下的循環(huán)性能所有樣品。 (d) V2O5 納米板和 V2O5 納米板/MXene 陰極在循環(huán)后在 3 M Zn(CF3SO3)2 中的 V 溶解結(jié)果以及在不同浸泡時間下浸入 3 M Zn(CF3SO3)2 水溶液中的電極的相應(yīng) (e) 光學(xué)圖像。 (f) V2O5 納米板和 V2O5 納米板/MXene 混合陰極的水性電解質(zhì)中 V 溶解的圖示。
Figure 5. V2O5納米板/MXene雜化物的理論模擬和電化學(xué)動力學(xué)分析。(a) ORCA理論模擬了MXene對電解質(zhì)中釩離子的吸附。(b) VPMX73陰極在從0.3到2.0 mV s-1的不同掃描速率下的CV。(c) VPMX73的CV，在1.0 mV s-1時陰極過程的表面主導(dǎo)容量貢獻(xiàn)，以及 (d) 在不同掃描速率下的容量貢獻(xiàn)比例。(e) V2O5-MXene異質(zhì)界面處中空，Ti頂部，C頂部和O位置處的鋅吸附能量直方圖。(f) 2O5-MXene異質(zhì)界面的電荷密度差。(g) V2O5/MXene的DOS圖。(h) 鋅擴(kuò)散途徑和相應(yīng)的擴(kuò)散能壘分布。
相關(guān)研究工作由北京大學(xué)Shaojun Guo和北京化工大學(xué)Bin Xu課題組于2022年共同發(fā)表在《ACS NANO》期刊上，原文：an der Waals Interaction-Driven Self-Assembly of V2O5 Nanoplates and MXene for High-Performing Zinc-Ion Batteries by Suppressing Vanadium Dissolution。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
