【能源】Angew. Chem.：氧的氧化还原反应助力水系锌离子电池

来源：X一MOL资讯

水系金属离子电池由于其高安全性和低成本，在大规模储能领域展现出良好的应用前景。金属锌在水系电解液中化学性能稳定、比容量高（理论比容量高达820 mAh g-1），因此，在各种水系金属离子电池中，水系锌离子电池受到了广泛的关注。层状钒基化合物由于具有大的层间距和钒丰富的可变价态，是水系锌离子电池常用的正极材料，并展现了高的容量及优异的倍率和循环性能。但是，它们的平均充放电电压偏低（~0.8 V），极大地限制了其能量密度。另外，目前钒基水系锌离子电池的储能机理主要是基于金属阳离子的氧化还原，阴离子的氧化还原至今还没有被观察到，如果钒基水系锌离子电池实现阴离子的氧化还原，可有效提高锌离子电池的电压和容量，进而提高其能量密度。

近日，南开大学化学学院牛志强研究员团队通过简单的溶剂回流法制备了微米片结构的VOPO4，利用其作为水系锌离子电池的正极活性材料。进一步选择高电压下稳定的高浓度电解液（21M LiN(CF3SO2)2/1M Zn(CF3SO3)2），组装了水系Zn/VOPO4电池体系。此电池体系除了表现出传统的钒的氧化还原机理，在高电压区还实现了氧的氧化还原。由于氧的氧化还原，Zn/VOPO4电池的平均充放电电压提高到了~1.56 V（约为传统层状钒基正极的两倍）。而且，氧的氧化还原还提供了27%的额外容量。因此，Zn/VOPO4电池能量密度从160 Wh kg-1提升到217 Wh kg-1。而且，氧的氧化还原还促进了充放电过程中VOPO4晶体结构的可逆演变，因此，Zn/VOPO4电池展示了优异的倍率性能和循环稳定性（循环1000次后，容量保持率为93%）。该工作不仅为提高水系锌离子电池的性能提供了新思路，而且为水系锌离子电池的储能机理提供了一种新的视角。

相关结果发表Angewandte Chemie International Edition 上。

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Reversible Oxygen Redox Chemistry in Aqueous Zinc-Ion Batteries

Fang Wan, Yan Zhang, Linlin Zhang, Daobin Liu, Changda Wang, Li Song, Zhiqiang Niu, Jun Chen 

Angew. Chem. Int. Ed., 2019, DOI: 10.1002/anie.201902679

导师介绍

牛志强  南开大学化学学院研究员，博士研究生导师

个人简介：

2010年中国科学院物理研究所获得博士学位

2010年-2014年 新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院从事博士后研究

2014年-今 任南开大学化学学院研究员

2015年入选南开大学“百名青年学科带头人培养计划”

2015年入选天津市“青年千人”

2016年入选国家“青年千人”

2017年入选天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才

2018年国家自然基金委优秀青年基金获得者

2018年天津市杰出青年基金获得者

现任南开大学高效储能教育部工程中心副主任，先后入选国际电化学能源科学院委员会委员、中国电工技术学会超级电容器与储能技术委员会委员，Chinese Chemical Letters 和《物理化学学报》编委。

牛志强

https://www.x-mol.com/university/faculty/50094

课题组网站

http://www.niu.nankai.edu.cn

研究领域

主要从事碳纳米材料及新能源器件的基础与应用研究，研究兴趣主要包括：

1. 新型碳纳米材料及其复合物的可控组装

2. 超级电容器、锂电池、锂硫电池、锌离子电池等储能器件

3. 柔性，可穿戴等新型储能器件设计组装

近年来，在碳纳米材料的可控组装、功能化及新型储能器件的设计组装方面取得了一系列创新性研究成果，已在Chem. Soc. Rev.，Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater. 等期刊发表第一或通讯作者论文50余篇。