劉益春院士團隊在水系鋅離子電池領域取得重要研究進展。該團隊發展了一種具有極低鋅離子擴散活化能的新型正極材料體系，研制出Ah級超快速充電水系鋅離子電池。相關成果以“Amorphous organic-hybrid vanadium oxide for near-barrier-free ultrafast-charging aqueous zinc-ion battery”為題，發表在國際著名期刊Nature Communications（2024, 15, 10769）上。
安全、長壽命、超快速充電電池是電動汽車和便攜式電子設備等應用的關鍵組件。近年來，水系鋅離子電池因其高能量密度、低成本、非易燃性和高安全性而備受關注。水系鋅離子電池的充放電過程與正極材料的離子擴散、電解液離子傳輸、鋅負極表面反應等過程相關。對于傳統的晶態正極材料，由于鋅離子與晶格勢場有較強的庫倫相互作用，使其在固體活性材料內部擴散的活化能遠高于電解液離子傳輸和負極表面反應的活化能。因此，如何降低鋅離子固體擴散活化能，是提升鋅離子電池快速充電能力的關鍵所在，也是制約本領域發展的科學難題。
針對這一難題，研究團隊提出了“配體螯合-非晶化”協同提升釩基氧化物正極材料鋅離子遷移能力的新策略，設計制備了V4+/V5+混合價態的非晶乙二醇氧釩材料（AOH-VO）。研究表明，有機乙二醇配體螯合釩氧分子鏈形成的非晶無序結構，減弱了鋅離子與活性物質骨架的庫侖相互作用，降低了鋅離子擴散活化能。其一維有機-無機雜化分子鏈組裝形成的原子/分子級微孔，為鋅離子的快速擴散提供了有效通道，促進了鋅離子傳輸。獲得的非晶AOH-VO的初始離子擴散活化能可達7.8 kJ?mol−1、擴散系數達到10−8 cm2?s−1，與晶態乙二醇氧釩材料（VEG）相比，擴散活化能降低了3倍、離子擴散系數提高了3個數量級。在0.2-1.7 V電池工作區間，鋅離子固體擴散活化能達到7.8 -20.3 kJ?mol−1，與電解液體系的離子擴散活化能10.9-18.2 kJ?mol−1相當，表明與電解液相比固體中的鋅離子已接近無障礙傳輸。此外，非晶AOH-VO中乙二醇配體的螯合效應也顯著增強了釩氧骨架的穩定性，使其在100 A?g−1超高比電流密度下、17000次循環后，容量保持率仍然高達93%。
進一步以非晶AOH-VO為正極材料（負載量高達37 mg?cm−2），以三氟甲烷磺酸鋅水溶液為電解質，以電紡碳納米纖維為界面層穩定金屬鋅負極，組裝了尺寸9 cm × 10 cm的袋式電池。其最高容量為2.5 Ah，實現了“9.5分鐘充電81.3%”的超快速充電，達到了美國能源部極快速充電（XFC）設備“10分鐘充電80%”的標準。其容量保持率經過5000次循環仍能達到90.7%。
文章見刊后，課題組很快收到意大利資深工業科學家（N. F. Compagnone）來信，認為該工作中有關不同電流密度下容量變化（即倍率性能）的實驗結果與他提出的水系鉛酸電池極限容量理論模型完全契合。
該研究工作為開發高容量、長壽命、極快速充電水系鋅離子電池開辟了新途徑。
該成果的第一作者為我校物理學院博士研究生劉明莊，通訊作者為我校物理學院李興華教授、邵長路教授和劉益春院士。該研究得到了國家自然科學基金等項目的支持。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-55000-8