Small：基于层状H2V3O8纳米线正极的高性能水系锌离子电池

研究背景

氧化钒水合物属于层状钒化合物系列，由于它更好地描述了水分子的晶体结构，所以用H2V3O8代替了V3O7 H2O。H2V3O8由氢键连接的V3O8层组成，每一层由VO6八面体和VO5三角双金字塔组成。VO6八面体与沿c轴堆积的相邻八面体共享边缘，与边缘共享的VO5三角形双锥体共享角，形成一个平行于(100)平面的层。此外，氢原子与标记为O(6)的氧原子在VO6八面体中结合形成氢键并保持V3O8层，从而产生三维结构。在这种结构中，V5+和V4+以2:1的比例共存，与其他钒氧化物相比，钒的混价电导率更高。普遍认为V3O8层间的弱键氢键有利于离子的可逆嵌入/脱出。有关钒化合物作为电极材料的报道很多，H2V3O8也不例外，尽管有几篇关于H2V3O8作为LIBs和钠离子电池的电极材料的报道，但没有关于水系ZIBs中H2V3O8的锌离子储存的报道。

文章简介

基于此，来自武汉理工大学的麦立强教授课题组在国际知名期刊Small上发表题为“High-Performance Aqueous Zinc–Ion Battery Based on Layered H2V3O8 Nanowire Cathode”的文章。

在这里，本文报告了以H2V3O8纳米线正极、Zn(CF3SO3)2水电解质和锌负极为基础，设计并制备了一种具有良好循环稳定性的水性锌离子电池，其在0.1 A g-1的电流密度下拥有423.8 mAh g-1的高比容量，并且具有1000个循环后容量保持率为94.3%的优异循环稳定性。其显著的电化学性能归功于H2V3O8的层状结构，层间距较大，使得锌离子的插/脱层时结构仅仅发生了微小的变化。研究结果表明，探索具有较大层间距的材料是提高水性锌离子电池电极电化学稳定性的有效途径。

特色要点

要点一：H2V3O8纳米线结构以及大的层间距显著提高了水系锌电池电化学性能

图1. a)可充电的Zn//H2V3O8电池的示意图，b)XRD，c)拉曼光谱，d)SEM，e)TEM，f)制备的H2V3O8纳米线的HRTEM

图2. 0.2~1.6 V范围内Zn//H2V3O8电池的电化学性能

要点二：扫描速率从0.1 mV s-1增加到1.0 mV s-1，电容贡献率从19.9% 增加到88.6% ，反映出随着扫描速率的增加，电容控制过程逐渐起主导作用

图3. H2V3O8电极的电化学动力学研究

要点三：通过非原位XRD、Raman、TEM和XPS等技术表征，证实了Zn2+可逆插层机制

图4. Zn//H2V3O8体系在充放电过程中的反应机理研究

总结

综上所述，采用一步水热法合成了H2V3O8纳米线，并首次应用于ZIBs正极材料。在0.1 A g-1的电流密度下，Zn//H2V3O8电池具有423.8 mAh g-1的高比容量，在5.0 A g-1的电流密度下，1000次循环后，也维持了94.3%的高容量保持率。本文详细论述了H2V3O8电极的电化学动力学，通过非原位XRD、Raman、TEM和XPS测量，证实了可逆插层机制。其工作表明，H2V3O8是一种非常有前途的ZIBs正极材料，对H2V3O8作为ZIBs正极材料的研究可以为进一步研究高性能ZIBs的钒基或其他层状结构材料提供很大的动力。