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用戶成果｜上海交通大學(xué)楊曉偉/同濟大學(xué)趙曉莉/江西科技師范大學(xué)劉聰聰ACS Energy Letters: EQCM揭示鋅離子電池釩氧化物正極失效機制及質(zhì)子儲能機制

背景知識

水系鋅離子電池（ZIBs）因高安全性、低成本等優(yōu)勢成為儲能領(lǐng)域的研究熱點，但釩基正極材料存在嚴(yán)重的容量衰減問題。傳統(tǒng)觀點認(rèn)為Zn2?嵌入引發(fā)的結(jié)構(gòu)坍塌或副反應(yīng)是主因，然而近年研究發(fā)現(xiàn)，H?可能主導(dǎo)電荷存儲過程，但其與容量衰減的關(guān)聯(lián)機制尚不明確。近日上海交通大學(xué)楊曉偉/同濟大學(xué)趙曉莉/江西科技師范大學(xué)劉聰聰團隊以“Probing Capacity Decay in Vanadium Oxide Cathodes of Aqueous Zinc-Ion Batteries Using Operando EQCM-D"為題在《ACS Energy Letters》上發(fā)表相關(guān)研究進(jìn)展。

研究方法

研究團隊通過QSense耗散型電化學(xué)石英晶體微天平（EQCM-D）實時追蹤釩氧化物（V?O?）電極在充放電過程中的質(zhì)量變化與離子擴散行為，結(jié)合納米化改性策略（V?O?@PEDOT，VOP）抑制材料溶解。
EQCM-D核心作用：

1. 實時質(zhì)量監(jiān)測：精準(zhǔn)量化H?嵌入/脫出引起的電極質(zhì)量波動，揭示V?O?溶解與OH?積累的直接關(guān)聯(lián)（圖1d-e）。

2. 電荷載體鑒別：通過理論質(zhì)量變化與實際數(shù)據(jù)的對比，證實H?是主導(dǎo)電荷載體（圖2c-d），Zn2?僅參與副反應(yīng)生成Zn?(OH)?V?O?等產(chǎn)物。

3. pH動態(tài)解析：調(diào)控電解液pH（4.3→1.0），發(fā)現(xiàn)低pH加劇材料溶解，驗證H?嵌入誘導(dǎo)的局部堿性環(huán)境是容量衰減根源。

實驗結(jié)果與分析

1. 容量衰減機制：

商用V?O?在2 M ZnSO?中循環(huán)后容量損失達(dá)71.7%，EQCM-D顯示其質(zhì)量持續(xù)下降（圖1d），歸因于H?嵌入后OH?積累引發(fā)的V?O?溶解（反應(yīng)式：V?O? + 4OH? → 2VO?(OH)?? + H?O）。

2. 納米片改性效果：

VOP電極通過PEDOT插層抑制OH?聚集，循環(huán)2000次后容量保持率高達(dá)98.2%（圖1l），質(zhì)量變化可逆性顯著提升（圖2a-b）。

3. 充電機制的理論計算：

理論計算顯示H?嵌入能（0.13 eV）遠(yuǎn)低于Zn2?（0.48 eV），且EQCM-D數(shù)據(jù)證實H?貢獻(xiàn)超90%電荷存儲（圖2c）。

結(jié)論與展望

本研究通過EQCM-D技術(shù)首  -  次明確H?主導(dǎo)的嵌入機制是釩基正極容量衰減的核心因素，并提出納米片改性策略有效抑制溶解問題。該成果為高性能水系鋅離子電池設(shè)計提供了新思路，未來可拓展至其他質(zhì)子敏感型電極材料的優(yōu)化開發(fā)。

基金支持

國家自然科學(xué)基金（22225801、22178217、W2441009）。

原文鏈接

htt ps: //doi.org/10.1021/acsenergylett.5c00901