钒/钼基层状过渡金属化合物锌离子电池正极材料的可控制备及储锌机制研究

Developing high-capacity, long-life zinc-ion batteries (ZIBs) is the frontiers and hotspots research to realize low-cost large-scale energy storage devices. This project focuses on the design and preparation of V/Mo-based layered transition metal compound by gradient hydrothermal method, wet chemical method and solid-state sintered method, combined with pre-intercalation of metal ions with different valance and ion/electron conductor compound coating strategies to design and synthesize cathode materials, which have a controllable composition, crystal structure and morphology. This project will study the intrinsic connection between material properties (crystal structure, surface/interface structure, ionic/electronic conductivity, chemical state) and capacity decreasing via various in-situ characterizations (in-situ XRD, Raman, FTIR and TEM et al.). The in-situ characterization can reveal the electrochemical mechanisms of zinc ion batteries and zinc-storage mechanism in cathode materials. Feedback guidance can optimize the zinc-storage performance of the cathode materials to achieve enhanced performance, laying a scientific foundation for the development of high-performance energy storage devices.

高容量、长寿命锌离子电池的开发是实现低成本大规模储能设备研究的热点和前沿。本项目以钒/钼基层状过渡金属化合物为研究对象，采用水热法、湿化学法、梯度热解等技术，结合不同价态金属离子预嵌入以及离子/电子导体层表面包覆等策略，合成制备出组成成分可调、晶体结构纳米形貌可控的层状过渡金属化合物。通过多种原位测试手段（原位XRD，原位激光拉曼光谱，原位红外，以及原位TEM等）实时检测电极材料在电化学测试中晶体结构相变、表界面结构、离子/电子导电率、材料化学态变化与电池容量衰减之间的本征连系。对所得材料在锌离子嵌入脱出过程的原位表征，能揭示锌离子电池的电化学机理，以及材料的储锌机制。反馈并指导优化该正极材料的储锌性能，为新型高效储能器件开发与应用提供新思路和奠定科学基础。

本项目主要以钒/钼基层状过渡金属化合物为研究对象，采用水热法、湿化学法、梯度热解等技术，结合不同价态金属离子预嵌入以及离子/电子导体层表面包覆等策略，合成制备出组成成分可调、晶体结构纳米形貌可控的层状过渡金属化合物。通过多种原位测试手段（原位XRD，原位激光拉曼光谱，原位红外，以及原位TEM等）实时检测电极材料在电化学测试中晶体结构相变、表界面结构、离子/电子导电率、材料化学态变化与电池容量衰减之间的本征连系。从材料组成，晶体结构和化学键结构等角度理解锌离子在嵌入脱出中伴随的电化学反应，以及相应的微纳结构变化。以选择适合于钒/钼基层状过渡金属化合物正极材料的优化策略。.1. 采用水热的方法以及热处理得到了锡钒氧纳米结构。我们揭示了嵌入的锡形成了Sn-O-V键，通过电荷筛选效应，很大程度的提高了电荷迁移速率，提高了锌电池的倍率特性。Nano Energy, 81, 105584, (2021).2. 铁钒氧化物显示出优异的铵根离子存储特性。这是由于铵根离子和铁钒氧化物层间结晶水的相互作用（氢键），很大程度的提高了铵根离子在层状铁钒氧化物迁移速率。Electrochimica Acta, 360, 137008 (2020).3. 采用自聚合的方法制备了PAM-CHNF水凝胶电解质，实现化学自充电柔性固态锌离子电池。所设计的固态新电池可以在常温下通过正极和氧气之间的氧化还原反应进行化学自充电。该工作以封面的形式发表在Advanced Energy Materials（Advanced Energy Materials. 2021 May 12: 2003902.）.4. 通过液态金属合金制备了梯度SEI膜。柔性的SEI 膜能够有效抑制枝晶的形成，提升锂金属电池的循环寿命。（Nano Energy. 2021 Oct 1;88:106237.）.5. 证实了电化学活化的H1.75MoO3纳米带中因存在Jahn-Teller效应导致的电子-声子耦合而呈现金属态。（Journal of the American Chemical Society. 2022, 144(38):17407-15）.6. 合理设计了含木质素的纤维素纳米纤维 / Mxene保护层来提高锌金属负极的使用率。 （Advanced Science. 2022, 9(25): 2202380.）