近日，我校刘益春院士团队在水系锌离子电池领域取得重要研究进展。该团队发展了一种具有极低锌离子扩散活化能的新型正极材料体系，研制出Ah级超快速充电水系锌离子电池。相关成果以“Amorphous organic-hybrid vanadium oxide for near-barrier-free ultrafast-charging aqueous zinc-ion battery”为题，发表在国际著名期刊Nature Communications（2024, 15, 10769）上。

安全、长寿命、超快速充电电池是电动汽车和便携式电子设备等应用的关键组件。近年来，水系锌离子电池因其高能量密度、低成本、非易燃性和高安全性而备受关注。水系锌离子电池的充放电过程与正极材料的离子扩散、电解液离子传输、锌负极表面反应等过程相关。对于传统的晶态正极材料，由于锌离子与晶格势场有较强的库伦相互作用，使其在固体活性材料内部扩散的活化能远高于电解液离子传输和负极表面反应的活化能。因此，如何降低锌离子固体扩散活化能，是提升锌离子电池快速充电能力的关键所在，也是制约本领域发展的科学难题。

针对这一难题，研究团队提出了“配体螯合-非晶化”协同提升钒基氧化物正极材料锌离子迁移能力的新策略，设计制备了V⁴⁺/V⁵⁺混合价态的非晶乙二醇氧钒材料（AOH-VO）。研究表明，有机乙二醇配体螯合钒氧分子链形成的非晶无序结构，减弱了锌离子与活性物质骨架的库仑相互作用，降低了锌离子扩散活化能。其一维有机-无机杂化分子链组装形成的原子/分子级微孔，为锌离子的快速扩散提供了有效通道，促进了锌离子传输。获得的非晶AOH-VO的初始离子扩散活化能可达7.8 ?kJ?mol^?1、扩散系数达到10^?8 cm²?s^?1，与晶态乙二醇氧钒材料（VEG）相比，扩散活化能降低了3倍、离子扩散系数提高了3个数量级。在0.2-1.7 V电池工作区间，锌离子固体扩散活化能达到7.8?-20.3 kJ?mol^?1，与电解液体系的离子扩散活化能10.9-18.2 kJ?mol^?1相当，表明与电解液相比固体中的锌离子已接近无障碍传输。此外，非晶AOH-VO中乙二醇配体的螯合效应也显著增强了钒氧骨架的稳定性，使其在100 A?g^?1超高比电流密度下、17000次循环后，容量保持率仍然高达93%。

进一步以非晶AOH-VO为正极材料（负载量高达37?mg?cm^?2），以三氟甲烷磺酸锌水溶液为电解质，以电纺碳纳米纤维为界面层稳定金属锌负极，组装了尺寸9 cm × 10 cm的袋式电池。其最高容量为2.5 Ah，实现了“9.5分钟充电81.3%”的超快速充电，达到了美国能源部极快速充电（XFC）设备“10分钟充电80%”的标准。其容量保持率经过5000次循环仍能达到90.7%。

文章见刊后，课题组很快收到意大利资深工业科学家（N. F. Compagnone）来信，认为该工作中有关不同电流密度下容量变化（即倍率性能）的实验结果与他提出的水系铅酸电池极限容量理论模型完全契合。

该研究工作为开发高容量、长寿命、极快速充电水系锌离子电池开辟了新途径。

该成果的第一作者为我校物理学院博士研究生刘明庄，通讯作者为我校物理学院李兴华教授、邵长路教授和刘益春院士。该研究得到了国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55000-8