宋禹副教授、刘晓霞教授团队在水系锌离子电池研究中取得重要突破

近日，东北大学理学院化学系宋禹副教授、刘晓霞教授团队在水系锌离子电池研究中取得重要突破，相关成果“Vanadiumoxides with amorphous-crystalline heterointerface network for aqueous zinc-ionbatteries”发表于化学学科顶刊Angew. Chem. Int. Ed.。东北大学硕士研究生王智慧为本文第一作者，理学院宋禹副教授、刘晓霞教授、燕山大学王静教授为论文通讯作者。东北大学为第一完成单位。

水系锌离子电池具备良好的安全性以及相对低廉的制造成本，在大规模电化学储能应用中前景广阔。氧化钒，作为锌离子电池正极材料，具备高比容量特性，被广泛应用于电池研究中。然而，电极材料中锌离子输运动力学缓慢、材料构效关系、储能机制尚不明确，制约了钒基锌离子电池的发展。东北大学理学院化学系宋禹副教授、刘晓霞教授团队，采用电化学方法构建了非晶-结晶氧化钒异质结构电极（VO-E）用于电化学储锌(Zn2+)。实验结果表明，VO-E材料内部存在大量非晶与纳米结晶区域，构建非晶-结晶异质界面网络。这种新颖的电极结构与纯结晶态或非晶态材料具有显著差异，有利于强化电极内部界面效应，促进异质结构间协同储能。非晶-结晶异质界面表现出有利的阳离子吸附和较低的离子扩散能垒，从而加速电荷载流子迁移率、增强电极的电化学活性，很好的解释了低结晶度氧化钒材料优异的电化学性能。


图一 异质结构氧化钒（VO-E）与结晶态氧化钒（VO-A）晶体结构及动力学研究

理论计算表明，异质结构氧化钒的V-O配位结构与结晶态或无定型氧化钒不同，这是导致其电化学性能差异的重要因素。非晶-晶型界面的差分电荷密度图显示，非晶-晶型界面处的电荷分布不均，诱导形成内部电场，从而加速电荷载流子迁移。同时，由于表面重构，异质结构的表面拥有更多的端基O，*Zn和*H原子可能与界面附近的这些O位点结合；第二，与晶体和非晶对应物相比，异质结构氧化钒材料更易于吸附Zn2+、H+，尤其是在异质界面上，这些阳离子吸附活性位点可以促进电极材料的电荷转移反应。


图二 密度泛函理论(DFT)计算和分子动力学(AIMD)模拟

高性能电池材料一直是科学界研究热点。本工作创新性的提出构建非晶-结晶同源金属氧化物异质结构概念，深入探究异质结构电极中异质组分协同储能机制，揭示了低结晶度材料优异电化学性能本质，为制备高性能水系锌离子电池及其他电化学器件提供新思路。我校分析测试中心为本工作材料结构表征，特别是异质界面的形貌学分析及数据采集提供关键支撑。