近日，东南大学材料科学与工程学院胡林峰教授团队提出了一种多元离子纳米限域组装的策略，在水系电池的金属离子输运动力学调控方面取得了重要进展，成果以《五氧化二钒薄层的多阳离子纳米限域诱导超快锌离子传输动力学及其水系电池应用》（“ multiple cations nanoconfinement in ultrathin v2o5 nanosheets enables ultrafast ion diffusion kinetics toward high-performance zinc ion battery”）为题在线发表于材料领域顶级期刊《先进材料》(advanced materials)。
图1.多阳离子纳米限域策略调控锌离子输运动力学的示意图
开发清洁的新能源是当前“摆脱传统化石能源依赖、实现双碳目标”这一国家重大战略需求的重要途径。基于锌金属的水系电池以其低成本、高安全性成为当前新型储能领域的世界前沿。然而，锌离子在电极材料内部缓慢的输运动力学导致这种电池的倍率特性、能量密度、循环寿命等方面性能均不足，成为其大规模应用的瓶颈问题和研究的难点。
针对这一挑战，胡林峰教授团队最近提出了一种多阳离子诱导的超分子自组装方法，分别实现了多种单组分的阳离子（nh4, na, k, mg2 , ca2 , zn2 , al3 ）和多阳离子（双组分nh4/na、三组分nh4/na/ca2 、四组分nh4/na/ca2 /mg2 ）在单原子层氧化钒材料间的嵌入。研究发现，单阳离子诱导自组装获得的钒基正极材料可以实现锌离子输运动力学的显著提升，最高扩散系数达到7.5×10-8 cm2 s-1，超越了迄今为止报道的大多数动力学性能（图1）；另一方面，多阳离子限域材料则因协同柱撑效应增强了结构稳定性和循环寿命。在此基础上通过密度泛函理论计算揭示了获得超快离子扩散动力学的物理机理：锌离子和氧化钒的悬挂氧原子之间的相互作用因阳离子限域约束而显著减弱，从而导致锌离子扩散能垒的降低。该工作发展了一种多元阳离子协同纳米限域策略用于高性能的水系电池正极材料，阐明了层状钒基材料的层间金属离子对于其储锌性能的影响规律，对于多组分客体阳离子协同调控锌离子扩散动力学提供了新的理解。
论文的第一作者为东南大学硕士生刘扬和博士后陆成杰，东南大学材料科学与工程学院胡林峰教授为该论文的通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省杰青和东南大学中央高校优秀青年团队项目的资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/ 10.1002/adma.202312982
来源：材料科学与工程学院