中南大学李芝华教授团队在水系锌离子电池正极材料研究中取得重要进展
中南大学李芝华教授团队在水系锌离子电池正极材料研究中取得重要进展
水系锌离子电池（ZIBs）因其高安全性、低成本和环境友好性而受到广泛关注。然而，传统的V2O5正极材料由于比表面积小、导电性差和层间距窄等问题，限制了其在ZIBs中的应用。针对这一挑战，中南大学李芝华教授团队提出了一种创新策略，通过将稀土铈离子（Ce3+）和导电高分子（聚苯胺，PANI）共插层到V-MOF衍生的多孔V2O5中，成功开发出高性能正极材料CPVO。
研究背景
层状钒氧化物具有开放的晶体结构和高理论容量，被认为是很有前途的水系锌离子电池（ZIBs）正极材料。然而，普通V2O5存在比表面积低、几乎无孔、导电性差和层间距窄等问题，严重限制了其电化学性能和实际应用。因此，开发具有宽层间距、高导电性和优异结构稳定性的V2O5基正极材料具有重要意义。
研究内容
中南大学材料科学与工程学院李芝华教授团队提出了一种新策略，将稀土铈离子（Ce3+）和导电高分子（聚苯胺，PANI）共插层到V-MOF衍生的多孔V2O5中作为ZIBs的正极材料（记为CPVO）。这种设计不仅提高了材料的比表面积和孔隙率，还通过Ce3+和PANI的协同作用改善了材料的导电性和层间距，从而显著提升了电化学性能。
图文导读
图1.展示了V-MOF衍生的多孔V2O5、CVO和CPVO的SEM图像，以及CPVO的TEM和HRTEM图像。这些图像清晰地显示了材料的纳米片状结构和多孔特性。
图2.通过XRD、红外光谱和N2吸附-脱附等温曲线等表征手段，证实了CPVO具有更宽的层间距和更高的比表面积。此外，XPS谱图进一步证实了Ce3+和PANI的成功掺入。
图3.展示了CPVO电极的电化学性能。CV测试曲线显示了材料的电化学活性，充放电曲线表明了其高容量特性，循环性能图则证实了其优异的稳定性。
图4.通过CV测试和电容贡献率分析，进一步证实了CPVO的快速离子传输能力和优异的倍率性能。
图5.通过非原位XRD和XPS表征，揭示了CPVO在充放电过程中的结构演变和电化学机制。
图6.理论计算结果表明，Ce3+和PANI的共插层显著改善了材料的电子结构和离子吸附能力。
研究总结
这项研究开发了一种创新的“三合一”策略，通过Ce3+和PANI共插层到V-MOF衍生的多孔V2O5中，成功制备了高性能CPVO复合材料。该材料不仅具有高比表面积和纳米片状多孔结构，还通过Ce3+和PANI的协同作用实现了优异的电化学性能。这项工作为高性能水系锌离子电池正极材料的设计提供了新的思路和方法。
参考文献：
Yibo Zhang, Zhihua Li, et al. Ce ions and polyaniline co-intercalation into MOF-derived porous V2O5 nanosheets with synergistic energy storage mechanism for high-capacity and super-stable aqueous zinc-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A, 2024.