【化工機械設(shè)備網(wǎng) 技術(shù)前沿】鋅基電池與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，具有更高的可持續(xù)性和經(jīng)濟性，正引起人們的青睞。以"鋅電池"為關(guān)鍵詞進行搜索，發(fā)現(xiàn)自2018年以來，已經(jīng)有超過30,700篇關(guān)于該主題的文章被發(fā)表。其中，大約60%的文章涉及水電系鋅離子電池，因其固有的安全性和潛在的低成本，使其成為大小型固定電網(wǎng)存儲的理想候選者。
水系鋅離子電池憑借安全、無毒，以及較高的理論容量，已經(jīng)成為最具潛力的可持續(xù)儲能技術(shù)之一。在眾多水系鋅離子電池電極材料中，層狀釩氧化物具有晶體結(jié)構(gòu)可調(diào)、容量高等特點，是現(xiàn)階段廣泛研究的正極材料?；陔x子或分子預插層策略可以有效解決正極材料的晶格空間不足、電子傳導性低等問題，從而進一步提升電池性能。
然而，目前對插層型正極材料的研究多關(guān)注于層間空間膨脹對容量的貢獻。因此，發(fā)展先進的原位表征技術(shù)，從原子軌道方面深入理解由插層劑引起的電極材料內(nèi)在結(jié)構(gòu)變化是未來高性能正極材料設(shè)計和開發(fā)的關(guān)鍵所在。
近日，中國科學技術(shù)大學國家同步輻射實驗室宋禮教授團隊基于插層型鋅離子電池正極材料的同步輻射譜學表征，提出了插層劑誘導軌道占據(jù)的概念，開發(fā)了具有快速充電性能的銨根插層五氧化二釩鋅離子電池正極材料。
在探究過程中，研究人員通過發(fā)揮同步輻射光源的綜合性實驗平臺的優(yōu)勢，結(jié)合多種原位與非原位同步輻射譜學實驗技術(shù)，深入揭示了銨根離子插層后，以及充放電過程中的可逆演變規(guī)律。
他們發(fā)現(xiàn)，銨根離子插層在很大程度上誘發(fā)了釩-氧鍵的結(jié)構(gòu)畸變，進一步導致電子結(jié)構(gòu)的重排，促使軌道中空態(tài)的占據(jù)。這種軌道占據(jù)極大地提高了材料的電導率，聯(lián)合銨根離子插層后拓寬的層間距，從而顯著加速了鋅離子的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了鋅離子電池的超高倍率性能。該項試驗測試結(jié)果表明，在電流密度為200倍率時，銨根插層五氧化二釩正極材料的比容量仍維持在101.0毫安時每克，且充電時間僅需18秒。
該項成果的發(fā)現(xiàn)對于快速儲能設(shè)備的研發(fā)來說至關(guān)重要。目前，鋰離子電池等儲能設(shè)備通常存在充電時間長、壽命短等問題。隨著人們生活水平的不斷提高，對于快速充電設(shè)備的需求也越來越迫切。此項新研究的成果將為快速充電設(shè)備的研發(fā)提供更加可靠的技術(shù)支持，從原子軌道方面對插層型五氧化二釩材料中鋅離子儲能機制的理解提供了依據(jù)，為高性能鋅離子電池在快充儲能器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為未來的科技發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。相關(guān)成果日前發(fā)表于國際學術(shù)期刊《美國科學院院刊》上。
(資料來源：科技日報)
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