含锂离子的络合物有哪些（MXene异质结中的钒溶解来构筑稳定锌离子电池）

含锂离子的络合物有哪些（MXene异质结中的钒溶解来构筑稳定锌离子电池）【文章简介】水系锌离子电池具有低成本、本征安全等优点，受到学术界与产业界的广泛关注。氧化钒正极具有高理论比容量，但其电导率较低，且在传统水系电解液中易钒溶解，导致所组装的Zn-V2O5电池比容量较低、循环寿命较短，严重阻碍其实际应用。本研究开发了一种磷酸三乙酯（TEP）/水混合电解液，其具有适宜的电导率、Zn2 脱溶剂势垒pH值，并可有效抑制钒溶解问题。此外，将高导电MXene与V2O5·1.6H2O纳米片复合，显著提高其电导率，MXene表面丰富的官能团也有利于V2O5·1.6H2O结构稳定性的提升。最终，采用制备的V2O5·1.6H2O/MXene正极以及混合电解液构筑了长循环Zn-V2O5电池。通讯作者：董琰峰*，邱介山*单位：东北大学，北京化工大学【研究背景】

东北大学董琰峰&北京化工大学邱介山CEJ：通过有机/水系混合电解液抑制V2O5/MXene异质结中的钒溶解来构筑稳定锌离子电池

【文章信息】

调控有机/水系混合电解液抑制V2O5/MXene异质结中的钒溶解，实现稳定锌离子电池的构筑

第一作者：梅莹莹

通讯作者：董琰峰*，邱介山*

单位：东北大学，北京化工大学

【研究背景】

水系锌离子电池具有低成本、本征安全等优点，受到学术界与产业界的广泛关注。氧化钒正极具有高理论比容量，但其电导率较低，且在传统水系电解液中易钒溶解，导致所组装的Zn-V2O5电池比容量较低、循环寿命较短，严重阻碍其实际应用。本研究开发了一种磷酸三乙酯（TEP）/水混合电解液，其具有适宜的电导率、Zn2 脱溶剂势垒pH值，并可有效抑制钒溶解问题。此外，将高导电MXene与V2O5·1.6H2O纳米片复合，显著提高其电导率，MXene表面丰富的官能团也有利于V2O5·1.6H2O结构稳定性的提升。最终，采用制备的V2O5·1.6H2O/MXene正极以及混合电解液构筑了长循环Zn-V2O5电池。

【文章简介】

近日，东北大学董琰峰副教授与北京化工大学邱介山教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Suppressing vanadium dissolution in 2D V2O5/MXene heterostructures via organic/aqueous hybrid electrolyte for stable zinc ion batteries”的研究文章。

​该文提出了一种磷酸三乙酯（TEP）/水混合电解液，即将三氟甲烷磺酸锌（Zn(OTf)2）溶于不同体积比的TEP/H2O混合溶剂中，最优混合电解液（Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%）具有适宜的室温电导率、Zn2 脱溶剂势垒和拓宽的电压窗口，重要的是，Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%混合电解液可有效抑制V2O5/MXene正极的钒溶解问题（图1）。

​此外，Ti3C2 MXene具有高导电内核和亲水性表面，其存在可显著提升V2O5·1.6H2O的电子电导和结构稳定性。得益于Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%混合电解液的使用与V2O5/MXene复合正极的合理设计，所组装的Zn-V2O5电池在0.5 A g-1的电流密度下经4000次循环，容量保持率仍高达78.6%，优于水系电解液的电池性能以及大多数已报道的Zn-V2O5电池性能。本研究工作为构筑长循环稳定锌离子电池提供了新思路。

图1. V2O5·1.6H2O正极分别在Zn(OTf)2-TEP，Zn(OTf)2-H2O和Zn(OTf)2-TEP/H2O电解液中的锌储存机理。

【本文要点】

要点一：开发了一种Zn(OTf)2-TEP/H2O有机/水系混合电解液

随着混合电解液中TEP体积含量增加，Zn(OTf)2-TEP/H2O有机/水系混合电解液的pH不断增高（图2）。除此之外，最优Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%混合电解液相较于Zn(OTf)2-TEP纯有机电解液具有更小的活化能Ea（0.26 eV），表明在混合电解液中Zn2 的脱溶剂化更容易。

图2. (a) Zn(OTf)2-TEP Zn(OTf)2-H2O 及Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%电解液的FTIR谱图。(b) Zn(OTf)2-TEP Zn(OTf)2-H2O Zn(OTf)2-TEP/H2O-50% Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%和Zn(OTf)2-TEP/H2O-90%电解液的Raman谱图以及 (c) 电导率和pH值。(d) Zn(OTf)2-TEP和Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%电解液在5-45 oC下的Arrhenius关系图。

要点二：构筑了V2O5·1.6H2O/MXene异质结纳米片

通过将Ti3C2 MXene和V2O5·1.6H2O混合液冷冻干燥，制备了V2O5·1.6H2O/MXene异质结纳米片，采用SEM、TEM、XRD、Raman和XPS等表征手段进行表征分析（图3），结果表明MXene与V2O5·1.6H2O纳米片均化复合，使得MXene显著改善正极材料的导电性和结构稳定性。

图3. (a) V2O5·1.6H2O/MXene异质结纳米片的SEM图，(b) HRTEM图以及 (c) V，O，Ti，C的元素映射图。(d) V2O5·1.6H2O及V2O5·1.6H2O/MXene的XRD图和(e) Raman谱图对比。(f) V2O5·1.6H2O/MXene中V 2p的XPS精细谱图。

要点三：V2O5·1.6H2O/MXene正极在混合电解液中优异储锌性能

得益于V2O5·1.6H2O/MXene复合正极的合理设计以及混合电解液优异的理化性质与抑制钒溶解能力，V2O5·1.6H2O/MXene正极在Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%电解液中表现出优异的电化学性能（图4），在0.5 A g-1电流密度下，经4000次循环后容量保持率仍高达78.6%，对应的每次循环容量衰减率仅为0.008 mAh g-1。

图4. (a) V2O5·1.6H2O/MXene正极在Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%和 (b) Zn(OTf)2-H2O电解液中的GCD曲线；(c) 在Zn(OTf)2-TEP Zn(OTf)2-H2O 及 Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%电解液中的循环表现；(d) V2O5·1.6H2O和V2O5·1.6H2O/MXene正极在Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%电解液中的长循环表现；(e) 与以往报道中的钒基锌离子电池循环寿命进行比较；(f-g) V2O5·1.6H2O/MXene电极片分别在Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%和Zn(OTf)2-H2O电解液中浸泡以及 (h-i) 循环后电池隔膜的照片；(j-k) 循环后电极的SEM图。

要点四：V2O5·1.6H2O/MXene正极在混合电解液中充放电机制及反应动力学分析

V2O5·1.6H2O/MXene正极在Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%混合电解液中的充放电过程中表现出高度可逆的Zn2 插层/脱嵌行为（图5）。此外，V2O5·1.6H2O/MXene正极表现出更优异的倍率性能（图6），具体表现为在0.1、0.2、0.5，1.0和2.0 A g−1的电流密度下具有205.5、172.5、135.5、104.1和81.2 mAh g−1的比容量。

图5. (a) 第一圈和第二圈循环的GCD曲线；(b) 对应的非原位XRD图；(c) V2O5·1.6H2O/MXene的 (110) 峰放大图；(d-e) V2O5·1.6H2O/MXene在完全充电及放电状态下V 2p和Zn 2p的XPS精细谱图。

图6. (a) 0.1-5.0 mV s−1扫速下的CV曲线；(b) 不同氧化还原峰的峰值电流/扫速图；(c) 电容贡献图；(d) 5.0 mV s−1下的电容贡献占比；(e) GITT图；(f) Zn(OTf)2-TEP/H2O-50% Zn(OTf)2-TEP/H2O-80%和Zn(OTf)2-TEP/H2O-90%电解液在不同电流密度下的倍率图。

【文章链接】

Yingying Mei Yuanhao Liu Wen Xu Minghui Zhang Yanfeng Dong* Jieshan Qiu*. Suppressing vanadium dissolution in 2D V2O5/MXene heterostructures via organic/aqueous hybrid electrolyte for stable zinc ion batteries，Chemical Engineering Journal 2023 452 139574.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139574

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【通讯作者简介】

邱介山教授简介：北京化工大学化学工程学院教授、院长、校学术委员会副主任，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，国务院政府津贴专家，国家“有突出贡献中青年专家”及国家“百千万人才工程”人选。主要从事功能碳材料的合成及应用、煤炭的高效高值精细化利用、能源化工等领域研究。多项技术实现产业化/规模化应用，提升了相关地区和行业的科技水平和实力，创造了良好的经济效益和社会效益。作为主要起草人之一，完成“煤焦化焦油加工工程设计标准”等多项国家标准的制定。

​在国内外学术刊物发表论文800余篇，其中700余篇论文发表在Nature Mater.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.、Nature Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Joule等国际学术刊物上(其中，IF >10刊物论文370余篇，67篇论文被选为国际学术刊物封面)，论文被SCI总引43200余次(单篇被SCI引用100次以上论文104篇)，h指数102 (Web of Sci.)，ESI高被引论文累计80余篇；煤基功能碳材料的研究论文数量(web of sci.)，世界第一 引领了煤化学化工学科的前沿发展方向；申请及授权发明专利140余件。

​荣获教育部自然科学一等奖、辽宁省自然科学一等奖、中国颗粒学会自然科学一等奖、中国化工学会科学技术奖一等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖、全国百篇优秀博士论文导师奖等奖励和表彰20余次。自2018年始，连续入选“科睿唯安”全球高被引科学家榜单；2019-2021年连续入选Elsevier中国高被引学者榜单(化学工程)。

董琰峰副教授简介：东北大学理学院化学系副教授。2016年6月博士毕业于大连理工大学化工学院，随后在中国科学院大连化学物理研究所从事博士后研究。2018年7月加入东北大学理学院化学系。2020年入选辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才。主要从事碳基纳米材料、二维材料的可控制备及新型电池应用基础研究。在Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials、Science Bulletin、Nature Communications、ACS Nano、Small、Chemical Engineering Journal、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Energy Chemistry、Carbon等期刊发表论文28篇，其中ESI高被引论文5篇，合作发表论文30余篇，SCI引用5000余次。