高性能水系锌离子电池用钒基正极材料的电化学机理研究

Because of the advantages of low cost, environmentally friendly, safety, as well as high-energy high-power density, the aqueous Zn-ion batteries may have promising applications in large-scale energy storage field, such as grid energy storage. However, due to the lack of high-capacity cathode materials, as well as electrolyte matching and irreversible deposition of zinc ions issues, the development of aqueous Zn-ion batteries has been restricted. In this project, from the perspective of the development of high-capacity cathode materials, we first proposed the frontier scientific research of the vanadium-based compounds as aqueous Zn-ion batteries cathode. Combined with the controllable preparation of nanostructured vanadium-based materials, composite materials as well as ion doping, we may improve the electrochemical performance of the materials effectively. And we synthetically further investigate their compatibility and matching among vanadium-based cathode materials, aqueous electrolyte and zinc anode, with future improving the electrochemical performance, which is expected to develop a series of high-performance aqueous Zn-ion batteries cathode. The project will also study the changes of the morphology, structure, crystal phase and valence of the vanadium-based aqueous Zn-ion batteries cathode upon cycling by the use of first principle calculation and in-situ or ex-situ techniques, and pointed out the energy storage mechanism.

水系锌离子电池因为其低成本、环境友好、安全可靠等优点，同时兼顾高能量高功率的特性，有希望应用于大规模储能领域，如电网储能等。但由于高容量正极材料的缺乏，以及电解液的匹配和锌离子不可逆沉积等问题，水系锌离子电池未能获得有效的进展。本项目从开发高容量正极材料的角度出发，提出对钒基化合物用作水系锌离子电池正极材料进行系统的前沿科学研究。通过对钒基材料的形貌和结构进行可控制备，同时结合复合材料制备技术和离子掺杂等手段对材料的性能进行进一步的有效提升，并综合研究钒基正极与电解液、锌负极之间的相互作用，研究其相容性和匹配性，对其电化学性能进行系统优化，预期将开发出一系列综合性能优异的水系锌离子电池正极材料体系。项目还将结合第一性原理计算和原位或者非原位手段分析水系锌离子电池钒基正极材料在充放电过程中的形貌、结构、物相、价态等转变，弄清其储能机理。

水系锌离子电池因为其低成本、环境友好、安全可靠等优点，同时兼顾高能量高功率的特性，有希望应用于大规模储能领域，如电网储能等。但由于高容量正极材料的缺乏，以及电解液的匹配和锌离子不可逆沉积等问题，水系锌离子电池未能获得有效的进展。本项目从开发高容量正极材料的角度出发，提出对钒基化合物用作水系锌离子电池正极材料进行系统的前沿科学研究。通过对钒基材料的形貌和结构进行可控制备，同时结合复合材料制备技术和离子掺杂等手段对材料的性能进行进一步的有效提升，并综合研究钒基正极与电解液、锌负极之间的相互作用，研究其相容性和匹配性，对其电化学性能进行系统优化，开发了出一系列综合性能优异的水系锌离子电池钒基正极材料。除此之外，项目也对水系锌离子电池中锰基正极材料的开发、锌金属负极与电解液结构的完善进行了深入的研究，主要研究内容包括通过三维结构设计、金属锌表面包覆和界面修饰等调控方案，可控制备满足无枝晶和无腐蚀双重标准的改性锌负极材料；开发化学结构稳定、离子电导率高的活性聚合物电解质，协同解决制约水系锌离子电池发展的关键问题。项目还结合第一性原理计算和原位或者非原位手段分析水系锌离子电池钒基、锰基正极材料在充放电过程中的形貌、结构、物相、价态等转变，弄清其储能机理。. 通过项目的资助，项目负责人在 Energy Environ. Sci.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，科学通报等国内外一流期刊发表与项目相关的学术论文25篇。项目实施期间，曾入选ESI高被引论文20余篇，热点论文10余篇，2篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”；入选2021年全球高被引科学家（科睿唯安），英国皇家化学学会（RSC）2019年高被引科学家。申请国家发明专利8项，已授权7项。参加国内外学术会议11次，作分会场主旨报告和分会场主席1次，特邀报告10次。培养名下的硕士毕业生3人，共同指导博士毕业生3人，硕士毕业生9人。