Группа под руководством профессора Сун Ли из Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук (CAS) предложила концепцию интеркалант-индуцированного заполнения орбиты V t 2g и разработала NH 4 + -интеркалированный ванадий . оксид (NH 4 + -V 2 O 5 ) для высокоэффективных водных цинк-ионных аккумуляторов (ZIB). Эта работа была опубликована в PNAS.

ZIB, благодаря своей безопасности, нетоксичности и высокой теоретической емкости, стали одной из самых перспективных устойчивых технологий хранения энергии. Среди различных электродных материалов для ZIB оксиды ванадия широко изучались в качестве катодных материалов для ZIB из-за их гибкой кристаллической структуры и многовалентности ванадия.

На основе стратегии ионного или молекулярного преинтеркаляции можно эффективно решить проблемы недостаточного пространства решетки и низкой электронной проводимости катодных материалов, что еще больше улучшит характеристики батареи.

Однако текущие исследования материалов интеркаляционных катодов в основном сосредоточены на повышении емкости за счет расширения межслоевого пространства. Поэтому важно разработать передовые методы определения характеристик in-situ, которые помогут изучить внутреннюю структурную изменчивость материалов электродов, индуцированную интеркалантами, с точки зрения атомных орбиталей. Это станет ключом к разработке высокоэффективных катодных материалов в будущее.

В этой работе исследователи представили различные методы спектроскопии синхротронного излучения in-situ и ex-situ, выявив изменение заполнения орбиты V 3dt 2g в V 2 O 5 после интеркаляции NH 4 + , а также обратимый закон эволюции в процессе зарядки и разрядки.

Они обнаружили, что интеркаляция NH 4 + в значительной степени индуцирует структурное искажение связи VO, что в дальнейшем приводит к перестройке электронной структуры и облегчает заполнение вакансионного состояния 3dxy на Vt 2g- орбитали. Заселение орбиты Vt 2g значительно улучшило электропроводность материала.

Кроме того, исследователи обнаружили, что интеркаляция NH 4 + привела к расширению расстояния между слоями, что значительно ускорило перенос электронов и миграцию ионов Zn, реализуя сверхвысокую производительность ионно-цинковой батареи.

Экспериментальные результаты показали, что удельная емкость катодного материала пентаоксида ванадия с интеркалированием аммония (NH 4 + -V 2 O 5 ) остается номинальной на уровне 101,0 мА ч г-1 при плотности тока 200 C при времени зарядки 18 с.

Это исследование обеспечивает лучшее понимание механизма накопления Zn 2 + в интеркалированных материалах V 2 O 5 и закладывает основу для разработки высокоэффективных интеркалированных катодных материалов ZIB.