南开大学陈军院士、牛志强合作：化学自充电水性锌离子电池

原标题：南开大学陈军院士、牛志强合作：化学自充电水性锌离子电池
可充电电池在电子设备、电网储能系统等领域有着广泛的应用。近年来，各种钒基化合物由于其开放的晶体结构和多种钒的氧化态而被开发作为水性锌离子电池(ZIB)的正极材料。在放电过程中，Z2+的插入和钒的还原同时发生在钒基ZIB中。此外，钒基化合物也是活性的氧化还原材料，在低价状态下可以被氧氧化，钒基正极放电在环境中会被氧气氧化，就像充电过程一样。因此，有望实现同时具有能量转换和存储功能的自充电ZIB。

有鉴于此，基于CaV6O16·3H2O电极，南开大学陈军院士，牛志强研究员报道了一种简化的双电极结构的化学自充电水性锌离子电池。
文章要点：
1研究人员采用一步水热法合成了长度为几百微米，宽度为200-500m的CaVO纳米带。通过X射线衍射(XRD)和相应的Rieeld精修，进一步了解了它们的晶相，衍射峰的空间群为A2/m(JCPDS为33317)，晶格参数为a=12.2533Å，b=3.5149Å，c=18.3874Å，α=γ=90°，β=118.642°，能很好地对应单斜CaVO相的衍射峰。此外，在HRTEM图像显示，晶格条纹的晶格间距为0.205m，对应于CaVO的(008)面，与X射线衍射结果一致。此外，TEM的元素图谱图像清楚地显示，Ca、V和O元素在CaVO纳米带中均匀分布。

2良好的纳米带形貌、开放的骨架和扩大的层间距使CaVO在层状结构中具有快速的Z离子插入/提取动力学。结果表明，Z/CaVO电池具有较高的首次放电容量(300mAhg-1，0.1Ag-1)、优异的倍率性能(62mAhg-1，30Ag-1)和出色的循环稳定性(10000次循环后容量保持率为100%)。

3由于完全放电产物CaZ3.6VO和O2之间的氧化还原电位差，它们之间会发生氧化还原反应，CaZ3.6VO释放出被氧化的电子，而O2同时被还原。同时，从CaZ3.6VO中提取Z离子以平衡电荷。结果表明，在常温下，在上述氧化还原过程中，CaZ3.6VO中发生了钒的氧化和Z离子的萃取。显然，在这种氧化还原过程中，完全放电的产物CaZ3.6VO可恢复到充电状态，而不是依靠外部电源。因此，Z/CaZ3.6−xVO系统可以从周围环境中获取化学能，并通过化学充电过程将其转化为蓄电池中储存的电能。它们可以在没有任何外部电源的情况下自我充电至1.05V，并提供相当大的放电容量239mAhg-1。

在这种开放式电池设计中，化学充电/恒流放电过程也是可逆的。更重要的是，化学自充电ZIB兼容不同的化学或/和恒流充电混合模式。化学自充电能力确保了Z/CaVO电池在各种条件下都可以使用。
来源：能源谷、南开大学
论文链接
hp://doi.og/10.1038/41467-020-16039-5