核壳结构V2O5构筑高性能对称电极锂离子电池

原标题:核壳结构V2O5构筑高性能对称电极锂离子电池

▲第一作者:王呈睿;通讯作者:张雷,王丹,赵惠军;

通讯单位:澳大利亚格里菲斯大学,中国科学院过程工程研究所;

论文DOI:10.1002/aenm.201900909

▲论文TOC

研究背景

对称电池是正负极均采用相同电极材料的电池。相比于传统锂离子电池,对称锂离子电池无论在制造工艺、成本和安全性方面都具有明显优势。由于只需生产一种材料,从而简化了生产设备,缩短了生产流程,大大降低了生产成本,因此对称电池被认为是一种工业上理想的电池结构。然而,高性能对称电池的发展到目前为止还非常有局限性,因为在高低电位均可储锂,能够提供较高能量密度的电极材料非常有限。目前研究的对称电极材料主要为磷酸盐材料,钛酸盐材料,导电聚合物材料。这些材料共同的缺点是容量较低,稳定性较差,难以提供令人满意的能量密度。

空心多壳层结构(HoMS)近年来被广泛研究,其较大的比表面积和稳定的结构使得其在诸多能源应用领域有效提高了材料性能,比如光催化,太阳能电池,超级电容器等。

近来,澳大利亚格里菲斯大学赵惠军教授与中国科学院过程工程研究所王丹教授合作报道了一种三层核壳空心结构的 V2O5 材料(THS-V2O5),其正负极可逆容量分别达到了 400 mAh/g(1.5-4V)和600 mAh/g(0-3V),构建的对称电极全电池的可逆容量达到了 290 mAh/g(2-4V),且在循环 1000 周之后仍能保持 94 % 的容量,是目前为止报道的性能最好的对称储能系统。

图文解析

➤空心核壳结构 V2O5 材料的合成与表征

文章中合成方法采用了硬模板法和水热吸附法,以实现对壳层数的精确可控。首先合成碳球模板,之后通过控制吸附溶液中前驱体浓度来控制离子吸附量,最后通过一步燃烧,即可得到一二三壳层的 V2O5空心球,其直径大约 700 纳米至 1 微米。与此同时还合成了普通 V2O5 纳米片作为对实验。XRD 数据显示不同形貌样品均为正交晶系 V2O5 晶体。

▲图1:一二三壳层的 TEM,XRD 和拉曼数据,以及三壳层高分辨,一壳层 SEM-Mapping。

➤电池性能研究

正极方面,文章对不同形貌样品分别进行了半电池测试,结果显示三壳层 V2O5 空心球(THS-V2O5)性能最为优越。当工作电压在 1.5-4.0 V 之间,充放电速率为 100 mA/g 时,首周可逆容量达到了约 470 mAh/g, 循环三周后稳定在约 400 mAh/g,一百周之后依旧能保持约 370 mAh/g。因此可得出结论,三壳层的形貌最有助于提高电池性能。之后又对三壳层样品做了原位 XRD 表征并分析了其充放电过程中的相变,发现其分别在 3.4V,3.2V,2.3V 和 2.0V 经历了四个相变,分别为 α 相,ε 相,δ 相和 γ 相,对应了首次放电过程中容量电压曲线的四个平台和 CV 的四个峰,不同相的主要区别在于嵌入锂离子数量的不同。另外,通过原位 XRD 的表征还发现,在正极的充放电过程中,三壳层形貌样品始终保持了正交晶系的骨架结构稳定,也间接解释了三壳层相貌样品较好的稳定性。

▲图2:壳层 V2O5 空心球正极前三周的容量电压曲线CV,以及不同壳层数样品的长循环性能和倍率性能

图3:三壳层 V2O5 空心球正极充放电过程中原位XRD数据及相变分析。

负极方面则只对三壳层形貌样品进行了半电池测试,工作电压选择在 0-3 V 之间,充放电速率为 100 mA/g 时,其首周和第三周放电容量分别达到了 900 mAh/g 和 750 mAh/g,循环 250 周之后依旧能稳定在 500 mAh/g。

▲图4: 三壳层 V2O5 空心球负极前三周的容量电压曲线,CV,以及长循环性能。

在全电池测试中,正极为嵌锂后的 THS-V2O5,负极为普通 THS-V2O5。工作电压在 2-4 V 之间,充放电速率为 100 mA/g。电池前三周可逆容量达到了 290 mAh/g,之后稳定在约 160 mAh/g,在循环 1000 周之后仍能保持 94 % 的容量。是目前为止报道过的性能最好的对称电极储能系统。

▲图5:三壳层 V2O5 空心球(THS-V2O5)对称电极全电池前三周的容量电压曲线,CV,倍率性能,以及长循环性能。

结论

文章通过对 V2O5 材料的电化学特性研究,发现这种材料在高低电位均具有较好的储能特性,可满足成为锂离子对称电池电极的要求,并通过对其形貌的修饰,有效提高了电池比容量和稳定性,为高性能对称电极储能系统的研究提供了新的思路。

赵惠军教授课题组简介

格里菲斯大学洁净环境与能源中心,位于澳大利亚格里菲斯大学-黄金海岸校区。中心长期从事化学、材料、环境和能源方面的研究。课题组目前主要研究方向包括电催化和光催化产氢产氧,CO2 还原,二次离子电池,3D 打印等。近年来已有多篇成果发表于 Nature Energy, Nature Communication, EES, Adv.Mat, JACS, Angew Chemie, Adv.Energy Mat, Nano letter, ACS Nano 等国际知名期刊,并多次主办国际交流会议。中心建立了与中国科学院,哈尔滨工业大学,中山大学等国内优秀高等院校和科研院所的长期合作关系,并面向国内招收优秀博士研究生和博士后工作人员。

课题组连接:

https://www.griffith.edu.au/centre-clean-environment-energy

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201900909

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