云南大学材料与能源学院王毓德教授团队在水系锌金属电池正极材料制备取得新进展
日期：
2025-02-26
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近日，材料与能源学院王毓德教授联合德国卡尔斯鲁厄理工学院Stefano Passerini院士在Advanced Energy Materials（IF 24.4）国际期刊上发表论文“Efficient and Effective Synthesis of CaV6O16·2.7H2O as High-performance Cathode Material for Aqueous Zinc Metal Batteries”（论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202404037），并被评选为正封面（front cover）文章。云南大学为该论文的第一通讯单位。水系锌金属电池（AZMBs）因其卓越的安全性、低成本以及优异的电化学性能而受到广泛关注，有望在大规模能源存储领域中得到应用。正极材料是决定AZMBs电化学性能的重要部分。其中，具有多价态和开放晶体结构的钒基材料，因其高理论容量和倍率性能而备受关注。然而，Zn2+与V2O5之间的强静电相互作用限制了Zn2+的扩散动力学，并且Zn2+的反复脱嵌会导致结坍塌和容量的快速衰减。为了解决这些问题，已经做出了各种努力。例如，预插层策略被证实是一种可行的方法，可以扩大钒氧化物的层间距，从而改善Zn2+的扩散动力学和结构稳定性。尽管取得了这些进展，但以往的研究主要集中在材料本身的电化学性质上，而忽视了其合成方法在实际应用中的难度。钒基材料的实际应用受到缺乏高效且高产率合成方法的限制。迄今为止报道的用于水性锌金属电池的大多数钒基化合物都是通过水热法、溶胶-凝胶法和固相烧结方法制备的。尽管所制备的钒基正极材料表现出优异的电化学性能，但这些方法的缺点不容忽视，如能耗高、设备要求高、合成时间长等。此外，一些钒基材料的合成对溶液的pH值异常敏感，进一步增加了制备纯相材料的复杂性和难度。因此，一种简单高效的合成工艺是发展高性能钒基材料的必要途径。该团队提出了一种温和、低成本和高产率的CaV6O16·2.7H2O（CaVO）合成方法，并探索其在水系电解质中的储能机制。通过简单的油浴法将反应物在90 °C下加热6小时，每批可以获得42.8 g的纯相CaVO，产率高达98.8%，这在简单性、时间和成本方面与以前的制备程序相比具有显着优势。并且，CaVO正极由于其大层间距和水润滑效果而表现出高比容量和出色的长循环稳定性。此外，我们证实了其在循环过程中的结构稳定性，并证明了Ca2+的引入和H2O的引入增强了Zn2+的扩散动力学，从而提高整体性能。本研究得到了云南省碳中和与绿色低碳技术重点实验室、国家自然科学基金、云南省高校科技创新团队计划、云南省教育厅项目、云南大学研究生科研创新基金以及亥姆霍兹协会的支持。
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