鋅離子電池正極材料V2O5的儲能機理和容量衰減原因

黃永烽，黃文婷，劉文寶，劉岳峰，劉 偉，徐成俊

(1.清華大學深圳國際研究生院，深圳518055；2.清華大學材料科學與工程學院，北京100084；3.中國科學院大連化學物理研究所，大連116023)

近年來，由于化石燃料的大量使用而造成的環境污染及能源短缺問題日趨嚴重，使人們轉向更加清潔和可持續發展的再生能源，如風能、太陽能、潮汐能等.由于風能、太陽能等能源具有間歇性和廣泛性的特點，因此有效儲能系統的開發迫在眉睫［1，2］.鋰離子電池作為一種能量密度高、循環性能好、電壓平臺高的先進儲能系統，在能源市場中居主導地位［3～7］.然而由于鋰資源短缺等問題，科學家仍一直在努力尋找其替代品.水系鋅離子電池作為一種價格低廉、安全、環保的新興儲能系統引起了廣泛關注［8，9］，其具有較高的質量比容量(819 mA·h/g)和體積比容量(5855 mA·h/cm3)［10］.從 Nazar 等［11］利用 Zn0.25V2O5·nH2O 作為鋅離子電池正極材料之后，一系列的釩的氧化物(如 V2O5［12～15］，V2O5·nH2O［16］，VO2［17］，V3O7·H2O［18］) 及 其 鹽 (LiV3O8［19］，Na1.1V3O7.9［20］，Na2V6O16·1.63H2O［21］，Ca0.24V2O5·0.83H2O［22］，Na2V6O16·3H2O［23］，Na0.33V2O5［24］，CaxV2O5·nH2O［25］)被開發或制備出來作為鋅離子電池的正極材料.其它正極材料還有二氧化錳和普魯士藍等，其中二氧化錳最早用于水系鋅離子電池的研究，其具有工藝成熟、環保、成本低等優點，并且其循環性能目前也已得到很大提高；具有開放式結構的普魯士藍具有高的放電電壓平臺，但是其比容量比較小［26～30］.與二氧化錳的八面體結構不同的是，釩氧化物有多個價態(從+5 價到+3 價)，氧化還原峰比較明顯，并且結構復雜，形狀可由四面體、雙三角錐、方錐再到扁平八面體和正八面體……