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10日，記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校國家同步輻射實(shí)驗(yàn)室宋禮教授團(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)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)成果日前發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《美國科學(xué)院院刊》上。

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(chǔ)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(diǎn)，是現(xiàn)階段廣泛研究的正極材料。基于離子或分子預(yù)插層策略可以有效解決正極材料的晶格空間不足、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多關(guān)注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)鍵所在。

中國科大供圖

科研人員發(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)，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。研究發(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(jìn)一步導(dǎo)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(dǎo)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(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倍率時(shí)，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(shí)每克，且充電時(shí)間僅需18秒。

該成果不僅從原子軌道方面對插層型五氧化二釩材料中鋅離子儲(chǔ)能機(jī)制的理解提供了依據(jù)，也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)。

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