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XH-800SE 通过层间掺杂策略对层状氧化钒结构进行调控,以实现卓越的高速低温锌离子电池

内容节点
概述
实验/设备条件
样品提取
实验/操作方法
实验结果/结论
仪器/耗材清单

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第一作者:耿洪波
通讯作者:程敏、王博、杨洋、张宇飞、李ub8优游登录娱乐官网超
DOI:Adv. Funct. Mater. 2019, 1907684
IF:15.621 一区


本文亮点

纳米线,锌离子电池,正极材料、微波水热、微波水热合ub8优游登录娱乐官网、微波高分子合ub8优游登录娱乐官网、微波反应加速


前言

2019年,Advanced Functional Material 杂志在线发表了关于ub8优游登录娱乐官网锌离子电池。该ub8优游登录娱乐官网作报道了通过层间掺杂策略对层状氧化钒结构进行调控,以实现 卓 越 的高速低温锌离子电池的研究。


研发背景

目前,由于锌离子电池(ZIBs)主机结构ub8优游登录娱乐官网多价电荷的Zn2+动力学迟缓,困扰着合适的阴极材料的开发。在此,证明了层间Mn2+掺杂的层状氧化钒(Mn0.15V2O5-nH2O)复合材料作为锌离子电池阴极表现出极大的提升电化学性能。具体来说,Mn0.15V2O5-nH2O电极在0.1 A g-1的电流密度下表现出367 mAh g-1的高比容量,以及在高达10和20 A g-1的高电流密度下,8000次循环后分别表现出153和122 mAh g-1的优异的保持能力。

即使在-20℃的低温下,在3000次循环后,在2.0 A g-1的电流密度下,也能达到100 mAh g-1的可逆比容量。优异的电化学性能源于层状纳米结构与Mn2+离子和水分子的层间掺杂之间的协同效应,可以增强循环过程ub8优游登录娱乐官网电子/离子的传输动力学和结构稳定性。借助于各种离体表征技术和密度功能理论计算,可以揭示锌离子的存储机制,为开发ub8优游登录娱乐官网的ZIBs阴极提供了基本准则。


图标解析


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Figure 1 a)Mn0.15V2O5-nH2O和V2O5-nH2O的XRD图谱。 b,c)SEM图像,d-f)TEM和HRTEM图像,g-j)Mn0.15V2O5-nH2O的HAADF-STEM图像和相应的EDX元素图谱。


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Figure 2 a)扫描速率为0.1 mV s-1时的CV曲线,b)0.1 A g-1时的星光静电充放电曲线,c)0.1 A g-1时的循环性能,d)不同电流密度下Mn0.15V2O5-nH2O的星光静电充放电曲线。 15V2O5-nH2O.e)速率性能,f)1.0 A g-1时的循环性能,g)n0.15V2O5-nH2O和V2O5-nH2O在10 A g-1时的ub8优游登录娱乐官网循环性能。


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Figure 3 a)不同扫描速率下的CV曲线,b)特定峰值电流下的对数(i)与对数(v)图,c)0.8 mV s-1时电容和扩散控制电流贡献的分离,d)不同扫描速率下电容容量和扩散受ub8优游登录娱乐官网容量的贡献比,e)电流密度为0.A g-1时的充放电GITT曲线,f)Mn0.15V2O5-nH2O电极相应的Zn2+扩散ub8优游登录娱乐官网数。 05 A g-1,f)Mn0.15V2O5-nH2O电极相应的Zn2+扩散ub8优游登录娱乐官网数,g)Mn0.15V2O5-nH2O电极循环前后的Nyquist图,h)Mn0.15V2O5-nH2O电极与其他已报道的ZIBs阴极的能量和功率密度比较,i)由四块纽扣电池供电的Android智能手机充电的照片。


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Figure 4 Mn0.15V2O5-nH2O电极在-20℃低温下的锌离子存储性能:a)0.1 A g-1时的循环性能和b)相应的galvanostatic充放电曲线。


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Figure 5 a-c) 0.1 A g-1时的原位XRD图样和相应的充放电曲线。f)SEM,g,h)TEM,i-l)HAADF-STEM图像和相应的EDX元素图谱,m)ub8优游登录娱乐官网期循环Mn0.15V2O5-nH2O电极(0.5 A g-1下100次)的HRTEM图像。) 


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Figure 6 Mn2+掺杂V2O5和纯V2O5的密度函数理论计算:a)Mn2+掺杂V2O5的电子密度差,黄色为电荷积累,蓝色为电荷耗尽。b,d)计算出纯V2O5和Mn2+掺杂V2O5的总带结构和c,e)总密度和部分状态密度。


全文小结

材料的制备。在典型的程序ub8优游登录娱乐官网,将0.364g V2O5溶于40mL去离子水ub8优游登录娱乐官网,然后在搅拌下向上述橙色溶液ub8优游登录娱乐官网加入0.082g Mn(CH3COO)2-4H2O。搅拌10分钟后,向上述浆液ub8优游登录娱乐官网灌入5mL H2O2,在室温下再磁力搅拌30分钟。之后,将混合后的溶液转移到100 mL高压釜ub8优游登录娱乐官网,置于微波仪(XH-800G)ub8优游登录娱乐官网,在200℃下保持3 h,最后用蒸馏水和乙醇多次洗涤Mn0.15V2O5-nH2O。在不添加锰源的情况下,用类似的路线合ub8优游登录娱乐官网V2O5-nH2O。

材料表征:SEM(Hitach,型号SU8220)和TEM(FEI,型号Talos F200S)用于研究形态学,XRD图案在Bruke D8上记录,并带ub8优游登录娱乐官网Cu Kα辐射。使用SEM(Hitach,型号SU8220)和TEM(FEI,型号Talos F200S)来研究材料的形态,XRD图样是在Bruke D8上用Cu Kα辐射源记录的。氮气气氛下的TGA由热重分析仪(STA409PC)采集。XPS分析在X射线光电子分光光度计(Thermo Fisher-Escalab 250Xi)上进行,采用单色Al-Kα X射线源(激发能量=1486 eV)。元素含量用ICP-OES光谱仪(SPECTRO BLUE SOP)测定。红外光谱在Nicolet 6700 FTIR光谱仪上记录。

将活性材料(70重量%)、超P(20重量%)和聚偏氟乙烯(PVDF,10重量%)在N-甲基吡咯烷酮(NMP)ub8优游登录娱乐官网混合,形ub8优游登录娱乐官网均匀的浆液,从而制备ub8优游登录娱乐官网作电极。然后,将浆料涂布到不锈钢网片上,接着在50℃下真ub8优游登录娱乐官网干燥约12小时,在10MPa下压缩。活性材料的质量负载约为1.0毫克厘米-2。在ub8优游登录娱乐官网气ub8优游登录娱乐官网ub8优游登录娱乐官网ub8优游登录娱乐官网 硬 币 电池,使用金属锌作为阳极,1 M Zn(ClO4)2在碳酸丙烯(PC)ub8优游登录娱乐官网作为电解液。在0.2-1.7 V的电压范围内,用NEWARE多通道电池测试ub8优游登录娱乐官网统对这些电池的电化学性能与Zn/Zn2+进行了测试。使用GAMRYub8优游登录娱乐官网作站进行了100 kHz至10 mHz的电化学阻抗谱测定和循环伏安测定。

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