圖/河南大學(xué)物理與電子學(xué)院

近期，物理與電子學(xué)院白瑩團(tuán)隊(duì)在水系鋅離子電池釩基正極材料晶體工程調(diào)控領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Textured Na2V6O16·3H2O cathode tuned via crystal engineering endows aqueous Zn-ion batteries with high-rate capability and adequate lifespan”為題發(fā)表于能源領(lǐng)域頂級(jí)期刊ACS Energy Letters（影響因子：23.991）。

水系鋅離子電池釩基正極材料由于高的比容量而備受關(guān)注。然而，在循環(huán)過(guò)程中，由于鋅離子與在嵌入釩基正極材料時(shí)會(huì)存在較強(qiáng)的靜電作用力導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生進(jìn)而引發(fā)材料退化從而導(dǎo)致倍率性能下降。近日，白瑩教授團(tuán)隊(duì)在理論預(yù)測(cè)的指導(dǎo)下，利用晶體工程成功地設(shè)計(jì)了擇優(yōu)取向的Na2V6O16·3H2O（NVO）正極材料。根據(jù)理論計(jì)算預(yù)測(cè)出鋅離子在NVO正極材料中可能存在不同的擴(kuò)散路徑，發(fā)現(xiàn)直線隧道路徑其離子遷移能壘較低。并且利用多物理場(chǎng)模擬方法，得到在鋅離子嵌入過(guò)程中，活性面強(qiáng)度最高的NVO內(nèi)部鋅離子濃度場(chǎng)分布較為均勻的結(jié)果。從電化學(xué)分析中表明，NVO作為水系鋅離子正極材料具有良好的電化學(xué)性能，特別是在較高的電流密度20 A g-1下，其容量為156.9 mAh g-1，同時(shí)具有良好的長(zhǎng)期循環(huán)能力（5000次循環(huán)后容量為140.6 mAh g-1，容量保持率為78.5%），此外在300 mA g-1較小電流密度下循環(huán)300周仍然保持了較高的循環(huán)保持率，說(shuō)明NVO正極材料在弱酸性電解液中的溶解性問(wèn)題得到了有效的改善。本工作所揭示的晶體工程可作為從根本上提高正極材料電化學(xué)性能的有效策略，并有望運(yùn)用到可用于鋰、鈉、鉀等二次可充電電池體系。

河南大學(xué)物理與電子學(xué)院、河南大學(xué)交叉學(xué)科高等研究院、河南省新能源材料與器件國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室為該論文第一署名單位，2021級(jí)博士研究生李世佳為第一作者，白瑩教授為通訊作者，西安交通大學(xué)劉洋洋博士和瑞典查爾莫斯大學(xué)（Chalmers Tekniska H?gskola）熊仕昭博士為論文的共同通訊作者，中山大學(xué)盧俠教授在理論計(jì)算方面給予了支持和幫助。該研究工作受到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、河南省中原英才計(jì)劃、河南省高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智基地、河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃、河南大學(xué)杰出青年科研人才培育基金等經(jīng)費(fèi)的資助。

面向下一代新型高性能二次離子電池的研究和應(yīng)用，白瑩教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于二次電池關(guān)鍵材料研究及功能界面的構(gòu)筑，為下一代二次電池的發(fā)展提供新策略與新方案。（ACS Energy Letters, 2022, 7, 3770; Advanced Functional Materials, 2022, 2206428; Energy Storage Materials, 2022, 50, 407; Advanced Science, 2022, 2200622; Nano Energy, 2021, 83, 105775）。