S掺杂V2O5作为高性能稳定的锌离子电池正极材料

研究简介

V2O5是锌离子电池正极的有前途的替代品，它具有多价电子和层状结构，支持可逆的离子嵌入-脱出，并提供更高的理论容量。然而，它们存在电子导电性差、材料在电解质中溶解度高以及结构退化等问题，导致容量降低和寿命缩短。本文通过控制煅烧工艺合成了硫掺杂的V2O5，以获得高性能正极材料。优化的条件使V2O5材料具有更大的层间距、更好的结构稳定性和增强的电子导电性。硫掺杂引入了缺陷位，促进了Zn2⁺离子更快的扩散并改善了电荷转移动力学。这些都有助于S掺杂V2O5获得优异的电化学性能。因此，它实现了142.2mAhg−1的高比容量，并在2Ag−1的电流密度下经过5,000次循环后仍具有令人印象深刻的长期稳定性。这些发现表明，S掺杂的V2O5是一种很有前途的高性能稳定锌离子电池阴极材料，并且可以成为下一代储能应用的替代阴极材料。

图文导读

图1. 制备示意图（左）VS正极示意图、(右)VS||Zn电池可充电电池。

图2. a)VS-000前驱体的SEM图。b-d)分别为VS-350、VS-450和VS-550的SEM图。e) VS-450的TEM，插入V、O、S元素映射图。f) HRTEM图，插图为相应的晶格信息。g–i)分别为V2p、O1s和S2p的XPS光谱和峰值拟合结果。

图3. a和d)VK边和SK边的XANES光谱。b–e)制备样品的VK边和SK边的EXAFS光谱。c)VO2和V2O5的线性组合拟合。f)1300–400cm−1范围内的FTIR光谱。

图4. 所制备样品的电化学性能a)所制备样品的倍率性能。b)在0.1 Ag−1下获得所制备样品的循环性能c)在不同电流密度下VS-450的GCD曲线。d)在2Ag−1下测量VS-450的长期循环性能。e)在不同扫描速率下VS-450的循环伏安曲线。f)计算出的阴极和阳极峰的b值显示log(i)对log(v)图。g)VS-450中电容容量和扩散控制的贡献率。

图5. a)锌离子电池原位XAS实验示意图。b)原位XAS实验中VS-450的放电和充电曲线。(a)VS-450前2个完整放电和充电循环的VK边c,d)的XANES光谱，放大范围为5467–5473eV。e,g)第1个和第2个放电循环。f,h)实验期间在每个电压下的第1个和第2个充电循环。i)第1个和第2个放电-充电循环的V+4和V+5的线性组合拟合。

研究结论

本研究介绍了一种固相合成硫掺杂氧化钒(S掺杂V2O5)作为锌离子电池增强型正极材料的方法。通过引入硫来改善V2O5的电化学性能。制备的样品(VS-350、VS-450和VS-550)采用NH4VO3和硫脲合成，然后在不同温度下煅烧。结果表明，它增加了层间距，支持了离子的轻松扩散，并提高了电子电导率。VS-450表现出色，在0.1Ag-1时可提供370mAhg-1的高比容量，同时还具有出色的倍率性能和长期循环稳定性。原位XAS显示可逆的氧化还原变化，验证了Zn2⁺的嵌入/脱嵌机制。此外，硫掺杂降低了带隙，从而提高了电导率和离子吸附特性。研究表明，S掺杂的V2O5是一种适合下一代锌离子电池的正极材料，具有更高的效率和稳定性。