重庆大学在新型石墨烯混合气凝胶研究获得进展

成果简介

由于没有固态扩散的限制，插层赝电容行为正在成为一种有吸引力的电荷存储机制，可以极大地促进离子动力学，以提高电池的速率能力和循环稳定性；然而，在锌离子电池（ZIBs）领域的相关研究仍处于初始阶段，只在有限的阴极材料中发现。本文，徐朝和教授、李新禄教授、王荣华副教授等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries Enabled by Binder-Free and Ultrathin V2O5–x@Graphene Aerogels with Intercalation Pseudocapacitance”的论文，研究专门设计了一种新型的V2O5-x@rGO混合气凝胶，由具有丰富氧空位（Vö）的超薄V2O5纳米片和三维（3D）石墨烯导电网络组成，并将其作为锌离子电池的独立和无粘合剂电极。

正如预期的那样，材料和电极的理想微观结构使电极具有快速的电子/离子扩散动力学，实现了典型的插层赝电容行为，循环伏安法（CV）的模拟计算、原位X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）以及第一原理密度泛函理论（DFT）计算都证明了这一点。由于消除了固态扩散的限制，V2O5-x@rGO电极在ZIBs中循环1050次后，在15Ag-1时具有153.9mAh g-1的高可逆容量，在0.5Ag-1时具有90.6%的初始容量保持率。在组装好的软包电池中也实现了插层赝电容行为，显示出良好的实际应用前景。

图文导读

图1. (a) V2O5-x@rGO气凝胶的合成过程示意图。(b, c) V2O5和V2O5-x@rGO的扫描图像。(d) V2O5-x@rGO的TEM和相应的SAED图像。(e) V2O5-x@rGO的HRTEM图像。(f) V2O5-x@rGO、V2O5-x和V2O5纳米片的XRD图案。(g) V2O5的AFM图像。(h-k) 高角度环形暗场TEM和相应的C、O和V元素的EDX图谱。

图2. (a) V2O5-x@rGO、V2O5-x、V2O5和rGO的宽扫描XPS光谱。(b, c) V2O5纳米片和V2O5-x@rGO的V 2p XPS光谱。(d) V2O5-x@rGO的C 1s XPS光谱。(e) V2O5-x@rGO, V2O5-x, 和V2O5的拉曼位移。(f) V2O5和V2O5-x的点阵示意图。

图3. (a) V2O5-x@rGO-SSE电极在1 mV s-1时的CV曲线。

(b) V2O5-x@rGO-SSE电极在0.2-1.6 V, 0.5 A g-1时的充放电曲线。

(c) V2O5-x@rGO-SSE在不同电流密度的放电曲线。

(d-e) V2O5-TE、V2O5-x-TE、V2O5-x@rGO-TE以及V2O5-x@rGO-SSE的长期循环性能。

(f) 放电GITT曲线。

(g) V2O5-TE、V2O5-x-TE和V2O5-x@rGO-TE电极的Zn2+扩散系数。

(h) V2O5-x@rGO-SSE在0.5 A g-1时的时间电压GITT曲线和相应的Zn2+扩散系数。

图4. (a) V2O5-x@rGO-SSE电极在0.1-1.0 mV s-1的CV曲线。(b) b扫描速率为0.1–200 mV s–1时阴极峰值b和阳极峰值d的值。(c) 0.8 mV s-1时容量贡献的百分比。(d) 电容和扩散贡献的比率。(e) 不同阴极峰移的比较。(f) 归一化容量与根部扫描率的曲线。(g) V2O5、V2O5-x（含有Vö的V2O5）和V2O5-x@rGO的结构。(h) V2O5、V2O5-x和V2O5-x@rGO的状态密度比较。

图5. (a, b) V2O5-x@rGO-SSE电极在第一周期充放电过程中的原位XRD图案。(c)原位XPS的Zn 2p调查谱。(d-f) 在完全充电-放电条件下的高分辨率V 2p光谱。(g-i) Zn2+插层/去插层过程中晶格结构的变化图。(j) V2O5-x@rGO-SSE的高角度环形暗场TEM以及充电-放电条件下C、O、V和Zn的相应EDX图谱。

图6. (a) Zn-离子准固体电池组件的示意图。(b) 在0.5Ag-1下，电池的第5-60次充放电曲线。(c) 准固态V2O5-x@rGO//Zn电池在0.5Ag-1时的循环性能。(d) 0.8mVs-1时的容量贡献百分比。(e) 电容和扩散贡献比率。(f) 为发光二极管供电的软包装电池的光学图像。

小结

总之，通过简单的化学还原结合冷冻干燥，成功构建了由超薄且富含氧空位的V2O5-x纳米片和石墨烯组成的新型三维V2O5-x@rGO气凝胶，其中超薄的V2O5纳米片显著缩短了离子传输距离，大的二维离子扩散通道（约1.15nm）和丰富的氧空位的结合大大促进了锌离子的扩散动力学，而在整个气凝胶电极上形成的三维连续导电网络由于无粘结剂的特性，确保了快速的电子传输。由于快速的电子/离子动力学，新型气凝胶电极实现了理想的Zn2+扩散系数（约10-10cm2 s-1）和良好的插层赝容行为，这一点通过各种电化学分析得到证明。

令人印象深刻的是，在没有固态扩散限制的情况下，无粘结剂的V2O5-x@rGO电极和准固态软包电池都表现出优异的速率和循环稳定性，同时在Zn2+插层时结构变化很小，并通过原位XRD、XPS和TEM表征出高可逆性。V2O5-x@rGO的这种稳定的晶体结构和快速的离子扩散通道表明了高性能水性离子电池的前景。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsami.2c14153