韩国高丽大学--通过将V2O3锚定于大孔隙碳纳米管微球中激发其电化学性能并用于超快和长寿命锌离子水溶液电池

锌离子电池(ZIB)可以在水系统中运行，是安全性高、环境友好的下一代储能系统。然而，寻找具有理想纳米结构和组成的水溶液ZIB电极材料的研究仍在进行中。本文报道了由三氧化二钒(V₂O₃)固定在缠结碳纳米管(p-V₂O₃-CNT)上的多孔微球的合成及其作为ZIBs阴极的应用。综合分析表明，初始电荷过程后，V₂O₃相消失，Zn_3+x(OH)_2+3xV_2-xO_7-3x 2H₂O和锌钒酸盐(Zn_yVO_z)相从第二循环开始发生锌离子插层/脱插过程。对比p-V₂O₃-CNT、V₂O₃- CNT(无大孔)和多孔V₂O₃(无CNTs)微球的电化学性能，以确定纳米结构和导电碳基对锌离子存储性能的影响。p-V₂O₃-CNT在10A g^-1循环5000次后，具有237 mA h g^-1的高可逆容量。此外，在50A g^-1的极高电流密度下，可获得211 mA h g^-1的可逆容量。V₂O₃纳米结构中的大孔洞有效缓解了循环过程中的体积变化，高导电性的缠结碳纳米管有助于实现快速的电化学动力学。

图1 a) p-V₂O₃-CNT, b) V₂O₃-CNT, c) p-V₂O₃微球形成机理示意图。

图2 p-V₂O₃-CNT微球的形态、SAED模式和元素点映射图:a,b, SEM, c, TEM, d, HR-TEM, e, SAED模式，f)元素点映射图。

图3 p-V₂O₃-CNT微球的XPS谱:a) v2p, b) O 1s, c) c 1s, d) p-V₂O₃-CNT, V₂O₃-CNT和p-V₂O₃微球的TGA曲线。

图4. p-V₂O₃-CNT微球的XRD分析: a)恒电流充放电曲线显示预先选定的电势，并获得XRD谱图,b) 从第1到第3个循环，在不同电位下获得的非原位XRD谱图. 在c) 5-7和d) 29.45-29.9的2θ范围内，对第3个循环的XRD谱图进行了放大。

图5 p-V₂O₃-CNT微球放电态和带电态的非原位TEM分析:(a,e) TEM图，(b,f) HR-TEM图，(c,g) SAED图，(d,h)元素点映射图。

图6 非原位XPS分析p-V₂O₃-CNT微球的a-c放电和(d-f)荷电状态(第三循环): (a,d) V 2p， (b,e) O 1s和(c,f) Zn 2p XPS谱。

图7 p-V₂O₃-CNT、V₂O₃-CNT和p-V₂O₃微球的电化学性能:a) p-V₂O₃-CNT微球的CV曲线，b)第三循环充放电曲线，c) 10 A g^-1循环性能，d)不同电流密度下的速率性能。

图8 a) p-V₂O₃-CNT, b) V₂O₃-CNT, c)不同扫描速率下得到的p-V₂O₃微球的CV曲线，d)峰1和峰2的拟合对数(峰值电流)与对数(扫描速率)关系，e)显示表面电容性元素(绿色)和经验获得的电流的循环伏安图，f)不同扫描速率下的电容贡献。

图 9 原位EIS表征:根据a) p-V₂O₃-CNT, b) V₂O₃-CNT, c) p-V₂O₃微球，在第3个充放电过程中预选电势获得的Nyquist图，d) R_ct和e)锌离子扩散率(d)作为电势的函数。

相关科研成果由韩国高丽大学Yun Chan Kang等人于2021年发表在Small Methods（ https://doi.org/10.1002/smtd.202100578）上。原文：Boosting the Electrochemical Performance of V₂O₃ by Anchoring on Carbon Nanotube Microspheres with Macrovoids for Ultrafast and Long-Life Aqueous Zinc-Ion Batteries。