充电仅需18秒 新型水系锌离子电池正极材料问世

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记者4月10日从中国科学技术大学获悉，该校国家同步辐射实验室宋礼教授团队，基于插层型锌离子电池正极材料的同步辐射谱学表征，提出了插层剂诱导轨道占据的概念，开发出具有快速充电性能的铵根插层五氧化二钒锌离子电池正极材料。相关成果日前发表于国际学术期刊《美国科学院院刊》上。
水系锌离子电池凭借安全、无毒以及较高的理论容量，成为最具潜力的可持续储能技术之一。在众多水系锌离子电池电极材料中，层状钒氧化物具有晶体结构可调、容量高等特点，是现阶段广泛研究的正极材料。基于离子或分子预插层策略可以有效解决正极材料的晶格空间不足、电子传导性低等问题，从而进一步提升电池性能。然而，目前对插层型正极材料的研究多关注于层间空间膨胀对容量的贡献。因此，发展先进的原位表征技术，从原子轨道方面深入理解由插层剂引起的电极材料内在结构变化，是未来高性能正极材料设计和开发的关键所在。
科研人员发挥同步辐射光源综合性实验平台的优势，结合多种原位与非原位同步辐射谱学实验技术，深入揭示了铵根离子插层，以及充放电过程中的可逆演变规律。研究发现，铵根离子插层在很大程度上诱发了钒—氧键的结构畸变，进一步导致电子结构的重排，促使轨道中空态的占据。这种轨道占据极大地提高了材料的电导率，联合铵根离子插层后拓宽的层间距，从而显著加速了锌离子的转移，实现了锌离子电池的超高倍率性能。测试结果表明，在电流密度为200倍率时，铵根插层五氧化二钒正极材料的比容量仍维持在101.0毫安时每克，且充电时间仅需18秒。
该成果不仅从原子轨道方面对插层型五氧化二钒材料中锌离子储能机制的理解提供了依据，也为高性能锌离子电池在快充储能器件中的应用奠定了基础。