顆粒在線訊：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室教授宋禮團(tuán)隊(duì)基于插層型鋅離子電池正極材料的同步輻射譜學(xué)表征，提出了插層劑誘導(dǎo)Vt2g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。相關(guān)研究成果以Intercalant-induced Vt2gorbital occupation in vanadium oxide cathode toward fast-charging aqueous zinc-ion batteries為題，發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

　　水系鋅離子電池（ZIBs）憑借安全、無毒以及較高的理論容量而成為最具潛力的可持續(xù)儲(chǔ)能技術(shù)之一。在眾多ZIBs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(diǎn)，是現(xiàn)階段廣泛研究的正極材料?；陔x子或分子預(yù)插層策略可以有效解決正極材料的晶格空間不足和電子傳導(dǎo)性低等問題，從而進(jìn)一步提升電池性能。然而，目前對插層型正極材料的研究聚焦于層間空間膨脹對容量的貢獻(xiàn)。因此，發(fā)展先進(jìn)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(jì)和開發(fā)的關(guān)鍵。

　　本工作發(fā)揮同步輻射光源的綜合性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢，結(jié)合多種原位與非原位同步輻射譜學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，揭示了銨根離子（NH4+）插層后，V2O5中V 3dt2g軌道占據(jù)的變化以及充放電過程中的可逆演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，NH4+插層在較大程度上誘發(fā)了V-O鍵的結(jié)構(gòu)畸變，進(jìn)一步導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)的重排，促使Vt2g軌道中3dxy空態(tài)的占據(jù)。這種Vt2g軌道占據(jù)提高了材料的電導(dǎo)率，聯(lián)合NH4+插層后拓寬的層間距，從而顯著加速了鋅離子（Zn2+）的轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了鋅離子電池的超高倍率性能。測試結(jié)果表明，在電流密度為200 C時(shí)，銨根插層五氧化二釩（NH4+-V2O5）正極材料的比容量仍維持在101.0 mA h g-1，且充電時(shí)間僅需18 s。該工作從原子軌道方面對插層型V2O5材料中Zn2+儲(chǔ)能機(jī)制的理解提供了依據(jù)，并為高性能鋅離子電池在快充儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、中科院國際伙伴計(jì)劃與合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院等的支持。

應(yīng)用于高性能ZIBs正極材料NH4+-V2O5的Vt2g軌道占據(jù)機(jī)制

應(yīng)用于高性能ZIBs正極材料的NH4+-V2O5儲(chǔ)能機(jī)理分析