聚合物包覆的V2具有双储能机制的锌水系电池阴极5

2026-06-05 14:51:02

因为钒元素丰厚的氧化还原化学特性，钒基资料被认为是水系锌电池极具远景的正极资料。但是，钒电极严峻的溶解行为和较低的作业电压明显下降了水系锌电池的循环安稳性和能量密度。为此，咱们设计了一种聚(1,8-二氨基萘)包覆的钒基正极（V@PDAN）用于水系锌电池。2这种PDAN包覆层不只能有用抑制钒在电解液中的溶解，还可作为主体资料参加电荷存储进程。通过选用锌5含有活性I的电解质2, Zn//V5@PDAN电池完成了高放电容量（356 mAh g2在0.5 A g5）、高电压（0.89 V）和超长循环寿命（11,000次）。非原位剖析标明V2@PDAN的电荷存储触及Zn5和H2共存储与I5/I2+转化。理论计算标明，PDAN能够通过强静电相互效果锚定I的氧化产物−/I2转化。值得注意的是，柔性Zn//V5@PDAN电池表现出优异的循环安稳性和低温功能。−1 at 0.5 A g−1), elevated voltage (0.89 V) and ultralong cycling life (11,000 cycles). Ex-situ analyses indicate that the charge storage of V2O5@PDAN involves Zn2+ and H+ co-storage and I−/I0 conversion. Theoretical computations reveal that PDAN can anchor the oxidation products of I−/I0 conversion via strong electrostatic interaction. Remarkably, flexible Zn//V2O5@PDAN cell exhibits excellent cycling stability and low-temperature performance.

图文摘要

一种触及Zn和H共存储与I/I转换的双重储能机制在有机包覆无机复合正极（V@PDAN）。因而，该体系展现出高放电容量（356 mAh g在0.5 A g电流密度下)、优异的平均作业电压（相对于Zn/Zn为∼0.89 V）)、超长循环安稳性（11,000次循环）以及316 Wh kg的明显能量密度), ultra-long-term cycling stability (11,000 cycles), and prominent energy density of 316 Wh kg.2++−025−1−12+−1
可充电水系锌电池因其高理论容量（820 mAh g^-1）、本质安全性和环境友好性，目前已成为研讨热门。−1锌负极具有较低的氧化还原电位（−0.76 V vs. 规范氢电极(SHE)）、储量丰厚且成本效益明显等优势，而水系电解质则兼具本征安全性、环境友好性及高离子电导率等特点[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]]。但是，因为缺少合适的正极资料，水系锌电池的实践应用仍面临巨大挑战。近年来，学界在探究先进锌2+- 储能资料，包含钒基氧化物[[9], [10], [11], [12]]、锰基氧化物[[13], [14], [15], [16]]、层状硫化物[[17], [18], [19], [20], [21]]、普鲁士蓝类似物[[22], [23], [24]]以及有机化合物[[25], [26], [27]]。其中，钒基正极资料因为钒元素可呈现多种氧化态而具有较高的理论容量。但是，钒氧化物（如V2）的作业电压相对较低（相对于Zn/Zn5<0.7 V），这导致水系锌电池的能量密度较差[28,29]。此外，V2+正极在充放电进程中会产生明显的结构改变和钒溶解问题，这严峻制约了水系锌电池的电化学功能。2O5 cathode undergoes significant structural changes and vanadium dissolution issues during charge/discharge process, which severely restrict the electrochemical performance of aqueous Zn batteries.
为克服这些妨碍，研讨人员已作出许多尽力，包含碳资料杂化、过渡金属离子引进及电解质优化[[30], [31], [32], [33], [34], [35]]。尽管这些战略能在一定程度上提高V2资料在循环进程中的安稳性。但是传统改性办法通常会引进非活性元素，从而下降V5近年来，聚合物因其低溶解性和高电子导电性的优势，被视为水系锌电池领域极具远景的电活性资料。此外，部分聚合物已被用作界面宿主资料以提高钒基资料的锌存储特性[[36], [37], [38], [39], [40]]。但是这些聚合物仅作为扩展层距离的支撑结构，未能充分发挥其本身优势。更为重要的是，上述战略尚未从根本上处理钒基资料作业电压偏低的问题。2阴极。近期研讨显现，碘离子可作为电解液添加剂提高水系锌电池的作业电压[[41], [42], [43]]。但是，因为缺少能完成碘安稳氧化与固定效果的合适资料，体系会产生自放电现象，进而下降水系锌电池的库仑功率。Chen课题组最新研讨发现，含氨基官能团的聚合物可通过路易斯碱效果有用吸附碘物种[44]。因而，开发聚合物/V5复合资料作为阴极完成锌2+与碘化物的共存储，可能是提高水系锌电池功能的有用办法。2O5 materials [[36], [37], [38], [39], [40]]. However, these polymers merely serve as pillars to increase the interlayer spacing without exerting their own advantages. Moreover, the above-mentioned strategies have not fundamentally solved the issue of low working voltage of V2O5 cathode. Recently, some reports have shown that iodide ions can be used as electrolyte additives to increase the working voltage of aqueous Zn batteries [[41], [42], [43]]. However, due to the absence of suitable materials to achieve the stable oxidation and fixation of iodine, self-discharge occurs, which correspondingly reduces the coulombic efficiency of aqueous Zn batteries. Very recently, Chen's group found that polymer with the amino functional group can effectively adsorb iodine species owing to the role of Lewis bases [44]. Therefore, developing polymer/V2O5 composite materials as cathodes to realize concurrent storage of Zn2+ and iodide species may be an effective method to improve the performance of aqueous zinc batteries.
本研讨开发并简易合成了一种聚(1,8-二氨基萘)(PDAN)包覆的V2(记作V5@PDAN)作为水系锌电池正极资料。该PDAN包覆层不只能避免V2在电解液中的溶解，还可作为首要活性物质参加电荷存储。在含有活性I的Zn5电解液协同效果下2（即2 M Zn(OTf)₂）5+ 0.1M ZnI2+所构建的Zn//V电池体系−@PDAN电池展现出高放电容量（356 mAh g2在0.5 A g2）、较高平均作业电压（相对于Zn/Zn约为0.89 V2）及超长循环寿命（11,000次循环后容量保持率达71%）。非原位测验与剖析标明V5@PDAN展现出一种触及Zn²⁺共嵌入/脱出的双重能量存储机制−1和H−1与I⁻/I₃⁻2+/I2可逆转化。此外，第一性原理计算标明，PDAN能通过强静电相互效果有用捕获碘物种，从而抑制I⁻5离子的穿梭效应。同时，根据V2+PDAN正极即使在严峻变形和低温条件下仍表现出卓越的功能。该研讨为开发水系锌电池高容量正极资料供给了新的理论依据。+ co-insertion/extraction and I−/I0 reversible conversion. Moreover, first-principles calculations reveal that PDAN can effectively capture iodine species through strong electrostatic interaction, thereby suppressing the shuttling of I3− ions. Additionally, flexible rechargeable Zn batteries with V2O5@PDAN cathode show impressive performance even under severe deformation and low temperatures. This study provides new insights for facilitating the exploitation of high-capacity cathodes in aqueous Zn batteries.