水系锌离子电池正极钒基化合物研究进展

吴家荣

摘要：如今，水系锌离子电池因为具有环境友好性，安全性，低成本和可接受的能量密度，被认为是最具竞争力的候选产品。其中钒基化合物由于其拥有极高的理论比容量和倍率性能，是一类重要的正极材料。

关键词：锌离子电池；正极材料；钒基化合物

可充电锌离子电池（ZIB）被认为是最有希望用于电网储能的技术，并且可以替代目前的使用有毒铅化合物的铅酸电池。低价格，无毒性和储量丰富的特性使锌非常有潜力。此外，锌金属具有优异的理论质量比容量和体积比容量，分别为820mAh/g和5855mAh/cm3。在作为关键问题的正极材料研究中，诸多钒基化合物凭借着先进的结构，表现出了优异的电化学性能，吸引了大量的目光。其中最典型的为V2O5、层状钒酸盐MxV3O8、VO2（B）。

V2O5、层状钒酸盐MxV3O8、VO2（B）晶体结构图

1 V2O5

V2O5是一种典型的层状结构的钒基化合物，其中的V原子和O原子构成的[VO5]四方棱锥通过共用棱和边连接成层，层间以范德瓦耳斯力连接，层间距较大，适合于Zn2+的嵌入脱出。Johnson等人提出V2O5/Zn电池体系，其首圈放充电比容量为196mAh/g和164mAh/g。之后大量研究集中于针对V2O5的结构修饰。有研究者在此基础上提出了双层V2O5·nH2O正极材料，在V2O5层间插入水分子，H2O增大了V2O5的层间距并且促进了Zn2+嵌入脱出，最终具有372mAh/g（0.3mA/g）和319mAh/g（15A/g）的高比容量，且在6A/g的电流密度下900圈后仍有71%的容量保持率。之后的研究进一步对V2O5·nH2O进行微量Li预嵌入，增加了层间距，稳定了Zn2+嵌入脱出过程中的结构，从而提高了相应的电化学性能，使电池在5A/g的电流密度下具有304.2mAh/g的比容量，且循环500圈后仍保持有232mAh/g。……