基于混合价态氧化钒的光电正极用于高容量长循环光充电锌离子电池

研究简介

光充电锌离子电池（PRZIB）通过双功能光电正极将太阳能收集和存储功能集成到单个器件中。虽然PRZIB体积小、结构简单、成本低，有望成为自供电太阳能电子设备的理想选择，但其低容量（120-300mAhg-1）和较差的循环稳定性（<500次循环）阻碍了其实际应用。本文设计了一种混合价态V6O13纳米花光电阴极，以提高PRZIB的容量和稳定性。通过光辅助充电，制备的PRZIB的放电比容量达到468.7mAhg-1，循环寿命超过1500次。研究发现，辐照混合价态V6O13能够诱导质子插入并提高容量。同时，光照可以抑制V6O13正极的溶解和非活性焦钒酸锌相的形成，从而抑制界面降解。除了光辅助充电外，该集成器件还能在模拟太阳光下实现光充电。无需任何外部电源，五个串联的PRZIB可以通过光充电驱动发光二极管阵列。这项研究为高性能PRZIB在离网应用中的可行性提供了一种策略。

图文导读

图1.PRZIBs的设计与性能分析。(a)PRZIBs的一般工作机理。(b)ZIBs和PRZIBs元件的光学图像。光学窗口的构建细节在实验部分提供。(c)ZIBs和PRZIBs的示意图比较。PRZIBs在黑暗中（常规充电）或在光照下（光辅助充电）充电。(d)PRZIBs在常规充电和光辅助充电下的容量比较。(e)PRZIBs在1Ag-1下常规充电和光辅助充电下的循环稳定性。(f)TOF-SIMS重建了放电状态下PRZIBs正极的H+、Zn+和V+的三维空间分布。(g)经过100次常规和光辅助充电/放电循环后，PRZIBs中隔膜的光学图像和ICP-MS结果。（h）PRZIBs容量和循环寿命提升的拟议机制。在光辅助充电下，光促进质子插入并抑制钒溶解。

图2.PRZIB的电化学性能。(a)在不同阳光强度下，PRZIB在1mVs-1下的循环伏安法(CV)曲线。(b)PRZIB在1.0Ag-1交替光辅助充电和常规充电下的循环性能。在(c)0.1Ag-1和(d)2Ag-1下的循环稳定性，比较了光辅助充电和常规充电。(e)Ragone图显示了与已报道的系统相比的光辅助循环稳定性。(f)在光照（光辅助充电）和黑暗（常规充电）条件下0.5至5Ag-1的倍率性能。（g）雷达图比较了PRZIB与已报道的光电阴极的性能。

图3.V6O13光电正极在光照（光辅助充电）和黑暗（常规充电）条件下的特性。（a）V6O13光电正极在3MZn(CF3SO3)2电解液中以0.1mVs-1的CV曲线。（b）V6O13在0.1Ag-1下的恒电流放电曲线。突出显示了光照下的长时间放电平台。（c）从0.1到5mV-1的CV扫描速率得出的b值比较。（d）扫描速率从0.1到5mVs-1时的扩散贡献比。（e）具有拟合电荷转移电阻（Rct）值的Nyquist图。（f）从GITT曲线计算出的Zn2+扩散系数。（g）XRD、（h）SEM图、（i）拉曼光谱和（j）第100次循环放电的V6O13光电正极的接触角。

图4.PRZIB的光充电性能。（a）在接近等效放电容量下，常规充电与光充电的充电时间比较。（b）V6O13光电正极与已报道的光电正极的光充电速率比较（c）Ragone图显示V6O13光充电性能与已报道的光电正极。（d）在光充电(700Wm-2)下由PRZIB供电的39芯片LED阵列的演示。（i）PRZIB已完全放电。(ii)光充电后，PRZIB的输出电压升至约2.1V，超过了LED的运行要求。(iii)PRZIB使LED阵列能够在黑暗中工作8分钟。

研究结论

利用双功能V6O13纳米花光电阴极开发了高性能PRZIB。通过CV、GITT和EIS分析，我们证明在光照下V6O13中混合的V4+/V5+价态可增强电化学活性、降低极化、加速离子扩散动力学并提高电导率。这些优势使PRZIB实现了468.7mAhg-1的高放电比容量。ToF-SIMS和电化学表征的机理分析表明，光促进了以质子为主导的Zn2+/H+共插入，并抑制了非活性ZVO相的形成。除了光辅助充电外，V6O13光电阴极还支持光充电。这项工作展示了稳定的光辅助充电和有前景的光充电，推动了混合储能系统的发展，并为离网能源解决方案提供了可持续的途径。