MXene衍生水合钒酸盐的离子插层调控用于高速率长寿命锌离子电池

研究摘要

钒基氧化物是锌离子电池一类有潜力的正极材料体系，主要得益于其较高的电化学性能。然而，其较低的导电性则是未来应用的主要挑战。传统的引入导电基底的方法不能在循环过程中保持复合电极的结构稳定性，因此，复旦大学叶建新与沈剑峰教授研究团队在《Energy Storage Materials》发表最新研究成果，提出了一种制备高速率正极材料的通用方法，通过对异质结构的合理化设计进行一步的离子插层与相变过程，得到MXene衍生的水合钒酸盐材料。所制备的水合钒酸盐继承了MXene本征的高导电性，从而促进Zn2+更快速的扩散动力学，因此，由V2CTx衍生的Mn2+插层V10O24 nH2O 正极具有杰出的倍率性能与循环稳定性，在10 A g-1的电流密度下具有289.6 mAh g-1的比容量，在25000次循环后容量保留率高达92.9%。这种衍生策略可以扩展到Li+与Al3+插层的水合钒酸盐体系中，也同样能表现出杰出的电化学性能。本研究不仅为稳定的多价态离子电池正极材料的发展提供了蓝图，还扩展了MXene衍生物材料的应用。

图文导读

图1. V2CTx衍生MVO@VC复合材料的制备过程与物相表征。

图2. K-V2CTx与MVO@VC的SEM、TEM与热重曲线。

图3. MVO@VC电极的电化学性能。

图4. MVO@VC电极的动力学分析。

图5. MVO@VC的非原位XRD、XPS测试与同步辐射测试结果。

图6. Li-与Al3+插层的VO@VC电极的电化学性能。

总结

      本文首次报道离子预插层V2CTx MXene衍生物通过对插层离子的类型与相变的控制制备水合钒酸盐材料。以Mn离子为例，插层的Mn2+作为“支柱”通过化学键连接VOn层进而形成稳定的层状结构，并诱导V4+离子的形成，从而实现晶格间距的扩张。同时，水合钒酸盐继承了V2CTx MXene的本征导电性，促进锌离子的扩散动力学的提升。同时，预嵌入的Mn离子可以有效提升水合钒酸盐的倍率性能与循环稳定性。该研究证明离子预嵌入的MXene衍生水合钒酸盐是一种有潜力的多价态金属离子电池正极材料，为MXene衍生物的应用扩展了新的思路。

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