近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室無(wú)機(jī)膜與催化新材料研究組研究員楊維慎和副研究員朱凱月團(tuán)隊(duì)，在水系鋅離子電池機(jī)理研究中取得新進(jìn)展。該研究將結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的孔道材料MoV_0.41Te_0.12O₄（MVT-M1）應(yīng)用于鋅離子電池的正極，并在原子尺度上直接觀察到隧道內(nèi)Zn²⁺的嵌入和脫嵌過(guò)程。

　　水系鋅離子電池具有高安全性、高功率密度、低成本和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代安全儲(chǔ)能技術(shù)之一。其中，正極材料對(duì)電池的工作電壓、容量和穩(wěn)定性起著決定性作用，是整個(gè)鋅離子電池研究的關(guān)鍵。因此，開(kāi)發(fā)具有高容量和長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的鋅離子電池正極材料具有重要意義。

　　目前，釩基材料和錳基材料作為水系鋅離子電池正極材料，在容量和穩(wěn)定性方面均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。然而，正極側(cè)離子的儲(chǔ)存機(jī)理仍不明確，尤其是缺乏直接證據(jù)證明鋅離子儲(chǔ)存到了孔道或者層間。這主要受限于水合的層狀材料在電子束的轟擊下易失水導(dǎo)致層間距變化，以及孔道結(jié)構(gòu)的釩基和錳基材料在鋅離子電池運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生溶解和相變。

　　本工作將結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的孔道材料MoV_0.41Te_0.12O₄（MVT-M1）應(yīng)用于鋅離子電池的正極。MVT-M1具有寬而穩(wěn)定的六元環(huán)（約5？）和七元環(huán)（約6？）隧道，利于循環(huán)過(guò)程中可逆的Zn²⁺嵌入和脫嵌，并富含氧化還原中心（Mo、V、Te），促進(jìn)電荷再分配，從而在鋅離子電池中表現(xiàn)良好的性能。此外，得益于MVT-M1對(duì)高能電子束有出色的抗轟擊能力，研究利用高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電子顯微鏡在原子尺度上直接觀察到隧道內(nèi)Zn²⁺的插入和提取過(guò)程。此外，該團(tuán)隊(duì)利用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法，測(cè)定了鋅離子在正極內(nèi)從表面到體相的逐層儲(chǔ)存位置；通過(guò)對(duì)采用不同分子尺寸溶劑的電解質(zhì)進(jìn)行性能比較，發(fā)現(xiàn)了溶劑需要進(jìn)入孔道才能確保鋅離子的儲(chǔ)存。

　　該工作對(duì)探索Zn²⁺在材料中的存儲(chǔ)機(jī)制具有重要意義，并為高效存儲(chǔ)Zn²⁺的材料優(yōu)化提出了明確的方向。相關(guān)研究成果以Atomic scale analysis of Zn²⁺？storage in robust tunnel frameworks為題，發(fā)表在《化學(xué)科學(xué)》（Chemical Science）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和大連化物所創(chuàng)新基金等的支持。 

　　論文鏈接 

大連化物所揭示鋅離子電池正極孔道材料中的儲(chǔ)鋅機(jī)制