基于釩氧化物或硫化物的水系鋅離子電池（AZIB）由于其易于制造、低成本和高安全性，是大規(guī)模可充電儲能的有希望的候選者。然而，釩基電極材料的商業(yè)應(yīng)用一直受到循環(huán)性能差、倍率性能低等挑戰(zhàn)性問題的阻礙。為此，采用先進(jìn)的納米結(jié)構(gòu)工程技術(shù)將 VS2 納米片巧妙地融入 MXene 中間層中，以創(chuàng)建穩(wěn)定的二維異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)。 MXene 納米片與 VS2 納米片表現(xiàn)出穩(wěn)定的相互作用，而納米片之間的插層有效地增加了層間距，進(jìn)一步增強了它們在 AZIB 中的穩(wěn)定性。得益于具有高導(dǎo)電性、優(yōu)異的電子/離子傳輸和豐富的反應(yīng)位點的異質(zhì)層狀結(jié)構(gòu)，獨立式VS2/Ti3C2Tz復(fù)合薄膜可用作AZIBs的陰極和陽極。具體而言，VS2/Ti3C2Tz 正極在 0.2 A g−1 時呈現(xiàn)出 285 mAh g−1 的高比容量。此外，柔性無鋅金屬面內(nèi) VS2/Ti3C2Tz//MnO2/CNT AZIB 具有高工作電壓 (2.0 V) 和令人印象深刻的長期循環(huán)穩(wěn)定性（5000 次循環(huán)后容量保持率為 97%），其性能幾乎優(yōu)于所有報道的 AZIB 釩基電極。通過納米復(fù)合工程對材料結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控，有效增強了VS2的穩(wěn)定性，在Zn2+存儲方面顯示出巨大的潛力。這項工作將加速并刺激此類復(fù)合材料在儲能方向的進(jìn)一步發(fā)展。
圖1. 電極材料的制備工藝及儲鋅裝置的應(yīng)用。 A) VS2/Ti3C2Tz 復(fù)合薄膜的制備步驟。 B) VS2/Ti3C2Tz 復(fù)合薄膜作為陰極/陽極電極用于構(gòu)建 Zn//T-V AZIB 和柔性無鋅金屬 AZIB 的示意結(jié)構(gòu)以及器件的鋅存儲機制的說明。
圖 2. 三電極配置中 1 M ZnSO4 中制備的薄膜的電化學(xué)性能。 A）不同質(zhì)量比的VS2/Ti3C2Tz復(fù)合薄膜在2 mV s−1掃描速率下的CV曲線。 B) 原始 Ti3C2Tz、VS2 薄膜和 VS2/ Ti3C2Tz 復(fù)合薄膜在不同掃描速率下的倍率性能。 C) Ti3C2Tz、VS2 和 T-V = 1:5 薄膜在 2 mV s−1 掃描速率下的 CV 曲線比較。 D) Ti3C2Tz、VS2 和 VS2/Ti3C2Tz 復(fù)合薄膜的電化學(xué)阻抗譜。 （插圖：對應(yīng)于奈奎斯特圖的等效電路模式）。
圖 3. 物理特性。 A) Ti3C2Tz、B) VS2、C) T-V = 1:5 的橫截面 SEM 圖像。 T-V = 1:5 的 SEM 圖像 (D)，帶有 E) V、F) S、G) Ti、H) C、I) F 的 EDS 映射。
圖 4. 物理特性。 A) XRD 圖譜和 B) Ti3C2Tz、VS2 和 T-V = 1:5 薄膜的拉曼光譜。 VS2 的 XPS 光譜：V 2p 和 O 1S (C)、S 2p (D)。
圖 5. Zn//T-V = 1:5 電池在 0–1.3 V 范圍內(nèi)循環(huán)的電化學(xué)性能。A) 不同掃描速率下的 CV 曲線。 B) 電流密度從0.2到10 A g−1的充放電曲線。 C) 評價績效。 D) 循環(huán)壽命性能。 E) EQCM-D 參數(shù)的時間依賴性：施加的電位、電流和頻率。
圖 6. 鋅離子存儲行為的定量電容分析。 A) 恒電流間歇滴定技術(shù) (GITT) 曲線。 B) 基于 GITT 計算的鋅離子擴散系數(shù)。 C) 在 2 至 8 mV s−1 的不同掃描速率下 T-V = 1:5 的 CV 曲線。 D) T-V = 1:5 陰極氧化還原峰處對應(yīng)的對數(shù)（峰值電流）與對數(shù)（掃描速率）關(guān)系圖。 E) 2 mV s−1 時的 CV 曲線顯示電容對總電流的貢獻(xiàn)（陰影區(qū)域）。 F) T-V=1:5陰極中不同掃描速率下電容電荷和擴散控制電荷的貢獻(xiàn)率
圖 7. AZIB 中 T-V = 1:5 電極的 Zn2+ 存儲機制。 A) T-V = 1:5 電極在 0.5 A g−1 時的 GCD 曲線。相應(yīng)的異位 XRD 圖 B、C) 和異位 XPS 譜 (D)-(E)。
圖 8. 柔性不含金屬鋅的 T-V = 1:5//MnO2-CNT ZIB 的電化學(xué)性能。 A) MnO2-CNT 和 T-V = 1:5 薄膜和 B) 不同掃描速率下器件的 CV 曲線。 C) 電流密度從0.2到20.0 A g−1的充放電曲線。 D）柔性無鋅金屬ZIB的光學(xué)圖像和示意圖。 E）不同角度彎曲的柔性無鋅金屬ZIB器件的CV曲線。 F) 循環(huán)壽命性能。 G) 這項工作的拉貢圖和報告的對應(yīng)物。
相關(guān)科研成果由江西科技師范大學(xué)Jianxia Jiang等人于2024年發(fā)表在Advanced Science（https://doi.org/10.1002/advs.202401252）上。原文：MXene-Stabilized VS2 Nanostructures for High-Performance
Aqueous Zinc Ion Storage
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202401252
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
