基于釩氧化物或硫化物的水系鋅離子電池（AZIB）由于其易于制造、低成本和高安全性，是大規模可充電儲能的有希望的候選者。然而，釩基電極材料的商業應用一直受到循環性能差、倍率性能低等挑戰性問題的阻礙。為此，采用先進的納米結構工程技術將 VS2 納米片巧妙地融入 MXene 中間層中，以創建穩定的二維異質層狀結構。 MXene 納米片與 VS2 納米片表現出穩定的相互作用，而納米片之間的插層有效地增加了層間距，進一步增強了它們在 AZIB 中的穩定性。得益于具有高導電性、優異的電子/離子傳輸和豐富的反應位點的異質層狀結構，獨立式VS2/Ti3C2Tz復合薄膜可用作AZIBs的陰極和陽極。具體而言，VS2/Ti3C2Tz 正極在 0.2 A g−1 時呈現出 285 mAh g−1 的高比容量。此外，柔性無鋅金屬面內 VS2/Ti3C2Tz//MnO2/CNT AZIB 具有高工作電壓 (2.0 V) 和令人印象深刻的長期循環穩定性（5000 次循環后容量保持率為 97%），其性能幾乎優于所有報道的 AZIB 釩基電極。通過納米復合工程對材料結構的有效調控，有效增強了VS2的穩定性，在Zn2+存儲方面顯示出巨大的潛力。這項工作將加速并刺激此類復合材料在儲能方向的進一步發展。
圖1. 電極材料的制備工藝及儲鋅裝置的應用。 A) VS2/Ti3C2Tz 復合薄膜的制備步驟。 B) VS2/Ti3C2Tz 復合薄膜作為陰極/陽極電極用于構建 Zn//T-V AZIB 和柔性無鋅金屬 AZIB 的示意結構以及器件的鋅存儲機制的說明。
圖 2. 三電極配置中 1 M ZnSO4 中制備的薄膜的電化學性能。 A）不同質量比的VS2/Ti3C2Tz復合薄膜在2 mV s−1掃描速率下的CV曲線。 B) 原始 Ti3C2Tz、VS2 薄膜和 VS2/ Ti3C2Tz 復合薄膜在不同掃描速率下的倍率性能。 C) Ti3C2Tz、VS2 和 T-V = 1:5 薄膜在 2 mV s−1 掃描速率下的 CV 曲線比較。 D) Ti3C2Tz、VS2 和 VS2/Ti3C2Tz 復合薄膜的電化學阻抗譜。 （插圖：對應于奈奎斯特圖的等效電路模式）。
圖 3. 物理特性。 A) Ti3C2Tz、B) VS2、C) T-V = 1:5 的橫截面 SEM 圖像。 T-V = 1:5 的 SEM 圖像 (D)，帶有 E) V、F) S、G) Ti、H) C、I) F 的 EDS 映射。
圖 4. 物理特性。 A) XRD 圖譜和 B) Ti3C2Tz、VS2 和 T-V = 1:5 薄膜的拉曼光譜。 VS2 的 XPS 光譜：V 2p 和 O 1S (C)、S 2p (D)。
圖 5. Zn//T-V = 1:5 電池在 0–1.3 V 范圍內循環的電化學性能。A) 不同掃描速率下的 CV 曲線。 B) 電流密度從0.2到10 A g−1的充放電曲線。 C) 評價績效。 D) 循環壽命性能。 E) EQCM-D 參數的時間依賴性：施加的電位、電流和頻率。
圖 6. 鋅離子存儲行為的定量電容分析。 A) 恒電流間歇滴定技術 (GITT) 曲線。 B) 基于 GITT 計算的鋅離子擴散系數。 C) 在 2 至 8 mV s−1 的不同掃描速率下 T-V = 1:5 的 CV 曲線。 D) T-V = 1:5 陰極氧化還原峰處對應的對數（峰值電流）與對數（掃描速率）關系圖。 E) 2 mV s−1 時的 CV 曲線顯示電容對總電流的貢獻（陰影區域）。 F) T-V=1:5陰極中不同掃描速率下電容電荷和擴散控制電荷的貢獻率
圖 7. AZIB 中 T-V = 1:5 電極的 Zn2+ 存儲機制。 A) T-V = 1:5 電極在 0.5 A g−1 時的 GCD 曲線。相應的異位 XRD 圖 B、C) 和異位 XPS 譜 (D)-(E)。
圖 8. 柔性不含金屬鋅的 T-V = 1:5//MnO2-CNT ZIB 的電化學性能。 A) MnO2-CNT 和 T-V = 1:5 薄膜和 B) 不同掃描速率下器件的 CV 曲線。 C) 電流密度從0.2到20.0 A g−1的充放電曲線。 D）柔性無鋅金屬ZIB的光學圖像和示意圖。 E）不同角度彎曲的柔性無鋅金屬ZIB器件的CV曲線。 F) 循環壽命性能。 G) 這項工作的拉貢圖和報告的對應物。
相關科研成果由江西科技師范大學Jianxia Jiang等人于2024年發表在Advanced Science（https://doi.org/10.1002/advs.202401252）上。原文：MXene-Stabilized VS2 Nanostructures for High-Performance
Aqueous Zinc Ion Storage
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202401252
轉自《石墨烯研究》公眾號
