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■ 圍繞科研 服務(wù)科研 特別說明： 感謝您的關(guān)注，因文章由英文論文翻譯過來，如存在誤差，請(qǐng)您致電聯(lián)系小編，小編將第一時(shí)間修正。 聯(lián)系電話：15357933222（微信同） 技術(shù)支持：15311208010（微信同）  1 摘要簡(jiǎn)介 釩基插層材料在水系鋅離子電池（ZIBs）中引起了相當(dāng)大的關(guān)注。然而，由于強(qiáng)靜電相互作用，鋅離子的層間擴(kuò)散緩慢，嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。本文制備了具有擴(kuò)展的層間空間和優(yōu)異結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的氧空位富集V2O5結(jié)構(gòu)（Zn0.125V2O5·0.95H2O納米花，Ov-ZVO），用于制備優(yōu)異的ZIBs。原位電子順磁共振（EPR）和X射線衍射（XRD）表征表明，由于部分逸出的晶格水，在相對(duì)較低的反應(yīng)溫度下產(chǎn)生了大量的氧空位。原位光譜和密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，氧空位的存在降低了Ov -ZVO中Zn2+的擴(kuò)散勢(shì)壘，削弱了Zn和O原子之間的相互作用，從而有助于獲得優(yōu)異的電化學(xué)性能。Zn||Ov-ZVO電池在0.1 A g?1時(shí)顯示出402 mAh g?1的非凡容量，在2673 W kg?1時(shí)表現(xiàn)出193 Wh kg?1的驚人能量輸出。作為概念驗(yàn)證，Zn||Ov -ZVO軟包電池可以在0.5A g?1下達(dá)到350 mAh g?1的高容量，顯示出其巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。這項(xiàng)研究為氧空位納米結(jié)構(gòu)的形成和產(chǎn)生的氧空位改善電化學(xué)性能提供了基本的見解，為缺陷功能化的先進(jìn)材料開辟了新的途徑。 2 背景介紹 如今，人們?cè)絹碓疥P(guān)注用于大規(guī)模能源應(yīng)用的可充電電池的開發(fā)。將電池與太陽能或風(fēng)能等間歇性可再生能源相結(jié)合，將能夠持續(xù)生產(chǎn)綠色能源，從而減少全球碳足跡。盡管與替代電池系統(tǒng)相比，鋰離子技術(shù)在能量和功率密度方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，但鋰的地殼豐度有限以及與鋰離子電解質(zhì)易燃性相關(guān)的安全問題限制了其在大規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用。在尋求更安全、更實(shí)惠的儲(chǔ)能解決方案的過程中，鋅離子電池（ZIBs）獲得了相當(dāng)大的關(guān)注。鑒于鋅陽極的高理論容量（820 mAh g?1）及其在水性環(huán)境中的良好可逆性，正在大力開發(fā)提供高容量和長(zhǎng)期穩(wěn)定性的合適陰極材料。 3 圖文解析 為了證明Zn||Ov- ZVO電池在8 mg cm?2（陰極）的高質(zhì)量負(fù)載下的實(shí)際應(yīng)用潛力，組裝了軟包電池（示意圖如圖1a的插圖所示）。Zn||Ov- ZVO軟包電池在2 A g?1下可提供255 mAh g?1的穩(wěn)定容量，在200次循環(huán)后可提供91.15%的高容量保持率。值得注意的是，Zn||Ov-ZVO電池在0.5 A g?1時(shí)表現(xiàn)出350 mAh g?1的大容量，即使在8 mg cm?2的高質(zhì)量負(fù)載下具有2.8 mAh cm?2（圖1b）的高面積容量。此外，軟包電池可以很容易地點(diǎn)亮帶有USTC標(biāo)志的LED（2 V），并在≈5分鐘內(nèi)提供持續(xù)穩(wěn)定的能量輸出（圖1b插圖），這證明了該電池系統(tǒng)的潛在適用性。令人驚訝的是，組裝后的柔性電池在彎曲至90°和180°后可以保持卓越的容量（在3 A g?1時(shí)為200 mAh g?1）（圖1c）。在折疊和展開五次后，軟包電池在200次循環(huán)后表現(xiàn)出75%的容量保持率，這表明Zn||Ov -ZVO電池具有良好的靈活性。這些優(yōu)異的結(jié)果突出了Zn||Ov-ZVO電池的誘人應(yīng)用前景，特別是在柔性儲(chǔ)能系統(tǒng)中。  圖1 所構(gòu)建的Zn||Ov-ZVO軟包電池的實(shí)際應(yīng)用 測(cè)試結(jié)果分析 利用原位EPR和XRD研究了ZVO中氧空位的產(chǎn)生機(jī)理。如在140–330°C的不同溫度下煅燒的ZVO的EPR光譜所示（圖2g），在所有EPR光譜中，在g=2.01處存在一對(duì)對(duì)稱峰，這證實(shí)了140–330℃內(nèi)出現(xiàn)了氧空位。同時(shí)，這些對(duì)稱峰的強(qiáng)度與氧空位的含量成比例，隨著溫度的升高而變化。虛線框中的部分EPR光譜在圖2h中被放大，相對(duì)于140°C（I/I140）（圖2h），不同溫度下的峰值強(qiáng)度很好地反映了隨著溫度從140°C上升到240°C，氧空位的相對(duì)含量不斷增加。有趣的是，氧空位的相對(duì)含量在240-270°C的溫度范圍內(nèi)快速增長(zhǎng)，當(dāng)溫度超過270°C時(shí)略有下降。為了探索氧空位含量隨不同溫度變化的原因，應(yīng)用原位XRD跟蹤了ZVO在煅燒過程中的熱致結(jié)構(gòu)演變。原位XRD圖譜（圖2i）顯示，在從室溫上升到200°C的溫度過程中，除了（001）面的衍射峰強(qiáng)度連續(xù)增加外，所有衍射峰幾乎保持不變，這意味著（001）面在更高的溫度下具有優(yōu)選的取向?？紤]到原位EPR的結(jié)果，在240°C以下，ZVO中氧空位的穩(wěn)定增加可歸因于層間結(jié)構(gòu)的輕微變化，而V-O層的晶格畸變是由晶格水的去除引起的。當(dāng)溫度超過260°C時(shí)，（001）面的衍射峰迅速減小甚至消失。這表明由于ZVO夾層中晶格水的連續(xù)流出，導(dǎo)致夾層結(jié)構(gòu)的坍塌和三斜晶格的破壞。此外，ZVO層狀結(jié)構(gòu)中的Zn2+起著重要作用，這有助于在氧缺陷形成過程中保持層狀結(jié)構(gòu)?；诖朔治?，可以得出結(jié)論，退火溫度不應(yīng)超過240°C，以合成穩(wěn)定的富含氧空位的ZVO結(jié)構(gòu)。  圖2 g）在140-330°C的不同溫度下煅燒的ZVO的原位EPR光譜。h）圖g（左）的放大部分EPR光譜和不同溫度下峰值強(qiáng)度比的演示（右）。i）煅燒過程中ZVO的原位XRD圖譜 原位實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié) 在穩(wěn)態(tài)高磁場(chǎng)設(shè)備上收集了原位EPR光譜。用Bruker EMX plus 10/12進(jìn)行電子順磁共振測(cè)試。 樣品的X射線衍射圖通過Philips X’Pert Pro X射線衍射儀在Cu Kα輻射（1.5418?）下獲得。 4 結(jié) 論 本文通過為ZIB引入氧空位和層間金屬離子制備了Ov-ZVO陰極，顯示出優(yōu)異的Zn2+存儲(chǔ)性能。原位EPR和XRD表明，晶格水的脫水有助于在相對(duì)較低的溫度下在Ov-ZVO中產(chǎn)生更多的氧空位。原位XRD和XANES揭示了在充放電過程中氧空位的影響下Ov-ZVO的可逆結(jié)構(gòu)演變。同時(shí)，DFT計(jì)算驗(yàn)證了Ov-ZVO中較低的Zn2+擴(kuò)散勢(shì)壘，以及由于氧空位的引入而導(dǎo)致的Zn和O原子之間較弱的相互作用。氧空位的引入顯著提高了電化學(xué)性能，因此所制備的Ov- ZVO陰極實(shí)現(xiàn)了高容量（在0.1A g?1下為402 mAh g?1），并表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在2 A g?1下循環(huán)2000次后仍保持228 mAh g–1。這項(xiàng)研究為氧空位的形成過程及其在原子水平上增強(qiáng)Zn2+嵌入/脫嵌中的作用提供了全面的見解。我們堅(jiān)信，這項(xiàng)研究為ZIB缺陷工程陰極材料的研究和開發(fā)提供了指導(dǎo)策略。 原文鏈接： Jia-Jia Ye, Pei-Hua Li, Hao-Ran Zhang , et al. Manipulating Oxygen Vacancies to Spur Ion Kinetics in V2O5 Structures for Superior Aqueous Zinc-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater.2023, 2305659 DOI：10.1002/adfm.202305659 https:///10.1002/adfm.202305659 |
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