近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院李銳課題組在國際知名期刊ACS Energy Letters （IF 23.991）上發(fā)表題為“A Near 0 V and Low-Strain Intercalative Anode for Aqueous Zinc-Ion Batteries”的研究論文（DOI:10.1021/acsenergylett.3c00985），報(bào)道了一種新型的鋅離子插入型負(fù)極材料（Ti2O(PO4)2·2H2O），該材料具有接近0 V的電位和低應(yīng)變特性；并成功構(gòu)建了一種高電壓、高穩(wěn)定性的“搖椅式”水系鋅離子電池。
水系鋅離子電池由于固有的高安全性、低成本和鋅負(fù)極的高理論容量（820 mAh g-1）而備受關(guān)注，是一項(xiàng)有潛力的電化學(xué)儲能技術(shù)。然而，鋅負(fù)極存在諸如鋅枝晶生長、析氫以及復(fù)雜的界面副反應(yīng)等問題，且在實(shí)際的應(yīng)用中常常需要過量設(shè)計(jì)鋅負(fù)極以彌補(bǔ)鋅的損失，導(dǎo)致鋅負(fù)極的真實(shí)利用率過低。這些問題阻礙了水系鋅離子電池的商業(yè)化進(jìn)程。因此，開發(fā)一種高容量、低電壓的鋅離子插入型負(fù)極材料來替代金屬鋅，成為了一種重要的策略。
在此項(xiàng)工作中，李銳課題組首次提出了一種鈦基的磷酸鹽納米線材料，這種聚陰離子化合物具有很低的鋅離子插入電位，接近0 V （vs. Zn2+/Zn），類似于鋰離子電池中的石墨負(fù)極。值得注意的是，鋅離子在該材料中的嵌入/脫出過程僅導(dǎo)致微小的晶格應(yīng)變，因此，該材料展現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，5000次循環(huán)后容量幾乎沒有衰減。通過采用原位XRD、XPS、HRTEM等手段，研究者深入探究了該負(fù)極材料的儲能機(jī)理。
Ti2O(PO4)2·2H2O 納米線負(fù)極的形貌結(jié)構(gòu)特征、電化學(xué)性能以及存儲鋅離子時(shí)的結(jié)構(gòu)演化過程
近年來，在水系鋅離子電池研究領(lǐng)域，研究者們已經(jīng)在鋅枝晶的調(diào)控和優(yōu)化鋅的可逆沉積上做出了大量努力，但鋅金屬負(fù)極在水系電解液中的析氫和界面副反應(yīng)等問題始終難以得到解決。鋅作為一種儲量較為豐富且環(huán)境友好的元素，如果能夠構(gòu)建為搖椅電池，將為綠色安全的電化學(xué)儲能開啟新的可能性。然而，對于可脫嵌型負(fù)極材料以及“搖椅式”鋅離子電池的研究仍然相對匱乏。本工作揭示了鈦基聚陰離子材料在水系鋅負(fù)極中的巨大潛力，為嵌入型的水系鋅離子電池負(fù)極材料以及相應(yīng)的儲能器件設(shè)計(jì)開辟了新的方向。
該工作由北京大學(xué)深圳研究生院新材料院獨(dú)立完成，論文的通訊作者為李銳副教授，第一作者為博士生鄧文君；博士生黃中垣以及碩士生周竹青也在工作中做出了重要貢獻(xiàn)。本研究得到了深圳市科技創(chuàng)新委員會基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的支持。
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https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00985
