Reversible Molecular and Ionic Storage Mechanisms in High-Performance Zn0.1V2O5·nH2O Xerogel Cathode for Aqueous Zn-Ion Batteries

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作者
Kaiyue Zhu,Tao Wu,Wessel van den Bergh,Morgan Stefik,Kevin Huang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (6): 10678-10688 被引量:135
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c03684
摘要

The cathode is a critical component for aqueous Zn-ion batteries (ZIBs) to achieve high capacity and long stability. In this work, we demonstrate a dissolution-free, low-Zn-preinserted bilayer-structured V 2 O 5 xerogel cathode, Zn 0.1 V 2 O 5 · n H 2 O (ZnVO), with excellent capacity and stability using a low-cost ZnSO 4 electrolyte. Its discharge capacity reaches 463 mAh g –1 at 0.2 A g –1 and 240 mAh g –1 at 10 A g –1, while 93% and 88% of its capacity are retained at 0.2 A g –1 for 200 cycles and at 10 A g –1 for 20 000 cycles, respectively. We then show that the outstanding performance of ZnVO is derived from the enlarged gallery spacing by the solvent water intercalation and the water stable V 2 O 5 bilayer structure. We further unveil via ab initio molecular dynamics that H + is largely originated from the dissociation of the gallery water, while OH – moves out of the gallery to form Zn 4 (SO 4 )(OH) 6 ·5H 2 O with ZnSO 4 electrolyte on the surface of ZnVO; the intercalated Zn 2+ forms aquo complex [Zn(H 2 O) 6 ] 2+ with the gallery water. Our theoretical analysis also suggests that the gallery water and solvent water in the electrolyte are statistically the same and functionally equivalent. Overall, this study shows the promise of ZnVO as a practical cathode for ZIBs and offers fundamental insights into the roles of gallery water, solvent water, bilayer V 2 O 5 structure, and dual Zn 2+ /H + intercalation mechanisms in achieving high capacity and long stability.
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