近日，东南大学材料科学与工程学院胡林峰教授团队在水系锌离子电池的层状正极材料方面取得新进展，相关研究成果以“Principle in Interlayer-Spacing Regulation of Layered Vanadium Phosphates for Superior Zinc-ion Batteries”为题，在线发表于国际著名期刊《Energy & Environmental Science》上。
水系锌离子电池是一类具有低成本和高安全性的新型电化学储能器件，在可穿戴电子设备、未来智能电网等领域显示出大规模应用的潜力。但由于锌离子表面电荷密度高，在水系电解液当中被10-12个水分子包围形成致密牢固的水合离子基团，导致锌离子在正极活性材料内部的扩散动力学缓慢。因此，当前水系锌电的发展瓶颈在于缺乏有利于锌离子快速输运的正极材料。
层状磷酸盐中磷酸根的诱导效应可以实现高的放电平台，有望成为锌离子电池理想的正极材料，然而锌离子扩散动力学缓慢导致其比容量远低于理论容量，大大限制了电池的能量密度。针对这一问题，材料学院胡林峰教授提出了一种有机导电分子可控插层磷酸盐的策略，即将导电的聚苯胺分子嵌入层状磷酸氧钒的层间，通过改变实验条件的方式实现了聚苯胺的可控嵌入，并获得了14.8, 15.6, 16.5 Å三种不同的层间距，这其中层间距为16.5 Å的磷酸氧钒/聚苯胺复合材料呈现出最优化的锌离子存储性能：比容量和能量密度分别为268.2 mAh·g-1和328.5 Wh·Kg-1，超出了目前文献报道的各类锰基和钒基传统材料。研究发现，磷酸氧钒/聚苯胺复合材料的电子电导率和锌离子存储容量均与层间距呈现出线性比例关系，恒电流间歇滴定技术测定锌离子在材料内部的离子扩散系数高达5.7 × 10-8 cm-2·s-1；采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算揭示出：聚苯胺的插层使得锌离子在层状磷酸氧钒内的扩散势垒从0.13 eV 降低至0.03 eV，大幅度提高了锌离子的扩散动力学。此外还发现，聚苯胺分子嵌入增加了磷酸氧钒材料的疏水性，可以缓解其在水系电解液当中的分解和溶解问题，从而显著增强了正极材料的电化学稳定性和电池的循环寿命，在5.0 A·g-1的电流密度下获得了2000圈的稳定性，并且其容量保持在200 mAh·g-1以上。这项研究为解决锌离子扩散速度慢、循环稳定性差的问题提供了可行的解决方案，并对层状磷酸盐用于高性能锌离子电池的层间化学机制、构效关系提出了清晰的认识。
本论文第一通讯单位为东南大学材料科学与工程学院，该项工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上项目、东南大学新进教师科研启动经费等的大力支持。
文章链接：https://doi.org/10.1039/D1EE01158H
