科研人員成功開發出高性能多電子反應儲鋰材料
【化工儀器網 項目成果】近年來，可持續發展理念已經成為發展的基本共識，綠色能源也成為了當下能源發展和研究的主流方向。鋰、鈉離子電池等二次電池具有體積比能量和質量比能量高，可充且無污染等特點，受到了高度關注。為了提高鋰、鈉離子電池等二次電池的能量密度，滿足日益增長的能量需求，多電子反應的電極材料得到了廣泛關注與研究。
近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠帥團隊在多電子反應電極材料方面取得新進展。通過構建二維異質結構，團隊克服了多電子反應存在的可逆性和動力學限制，實現了高倍率、高容量的贗電容多電子反應。
電極材料的理論容量與每個氧化還原中心轉移的電子數密切相關。多電子反應是指在電荷存儲過程中，單個氧化還原中心經歷一個以上的電子轉移。多電子反應可以突破傳統電池反應中單個或少于一個電子轉移的瓶頸，大幅提升電極材料比容量，但多電子轉移過程在熱力學和動力學上的復雜性也會大幅增加，使得多電子反應面臨可逆性差和動力學緩慢的巨大挑戰。
該工作發展了一種基于氧化石墨烯模板的二維異質結構策略。團隊所制備的二維V2O5/石墨烯異質結構呈現超薄納米片形貌(2.8 nm)，具有豐富的表面活性位點，并且易于釋放離子嵌入/脫出時的應力/應變，促進可逆的結構轉變。此外，石墨烯的復合不僅提高了材料的電子導電性，而且產生了豐富的具有內建電場的異質界面，促進了電荷轉移。
得益于上述形貌和結構優勢，二維V2O5/石墨烯異質結構克服了釩氧化物在多電子反應中的不可逆相變和動力學限制，實現了贗電容主導的可逆多電子轉移儲鋰反應，表現出了極高的比容量和優異的倍率性能，優于大多數已報道的插層氧化物材料。本工作進一步通過解耦上述具有高容量和寬工作電壓窗口的多電子反應，構建了以預鋰化二維V2O5/石墨烯電極同時作為正負極的對稱儲能器件，具有優良的能量/功率性能和超長循環穩定性。
該工作為開發高容量、高倍率的多電子反應電極材料提供了新策略，同時提供了一個基于多電子反應構建對稱儲能器件的范例。
相關成果Enabling rapid pseudocapacitive multi-electron reactions by heterostructure engineering of vanadium oxide for high-energy and high-power lithium storage于近日發表在《能源與環境科學(Energy & Environmental Science)》上。
資料來源：中國科學報
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