大連化物所利用釩基二維異質結材料構建高性能鋅離子電池

鋅離子電池充放電機理及其表征分析和性能測試圖

近日，中國科學院大連化學物理研究所二維材料與能源器件研究組研究員吳忠帥團隊發展了一種二維模板離子吸附策略，制備出二維無定形V₂O₅/石墨烯異質結構新材料，實現了高效離子-電子協同傳輸，獲得了高安全、低成本、高性能水系鋅離子電池。

水系鋅離子電池具有安全性高、成本低、鋅儲量豐富的特點，受到了廣泛關注。開發低成本、高容量正極材料一直是鋅離子電池研究領域的難點。目前，釩基材料具有多價離子反應機制、高容量的特點，是一種有研究前景的正極材料，但其塊體材料存在反應活性位點少、電子導電低、體積膨脹等問題，導致容量低、循環性能差。因此，急需發展高容量、高倍率、長壽命的釩基正極材料，來滿足鋅離子電池應用的需求。

為解決這一問題，該團隊發展了一種二維模板離子吸附策略，將無定形V₂O₅均勻生長于高導電的石墨烯表面，獲得了一種超薄V₂O₅/石墨烯（A-V₂O₅/G）二維異質結新材料，充分結合無定形V₂O₅本身豐富的活性位點、離子擴散路徑短的優點和石墨烯高導電性、良好機械穩定性的優點，實現了高效離子-電子協同傳輸，獲得了高容量、高倍率、長壽命、高安全性的水系鋅離子電池。在0.1 A/g的電流密度下，具有489 mAh/g的高容量，遠高于目前報道的鋅離子電池的比容量。同時表現出優異的倍率性能，在大電流70 A/g時，仍保持高達123 mAh/g的容量。此外，以V₂O₅/石墨烯異質結為正極，構建了平面化微型鋅離子電池，該電池具有高體積容量、長壽命以及良好的集成特性，證明了其作為高安全性、低成本、可穿戴儲能器件的潛力。該工作為發展高效電子-離子協同增強的二維異質結材料提供了新策略，為構建高效電化學能源器件提供了新思路。

相關研究成果發表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上。上述工作得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目等的資助。