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High-performance zinc-ion batteries enabled by electrochemically induced transformation of vanadium oxide cathodes

阴极 材料科学 插层(化学) 电解质 电化学 氧化钒 化学工程 储能 水溶液 无机化学 电极 冶金 化学 物理化学 物理 工程类 量子力学 功率(物理)
作者
Yang Li,Yang Wang,Yang Wu,Yongfeng Huang,Guoxiu Wang,Chengjun Xu,Feiyu Kang,Liubing Dong
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:60: 233-240 被引量:80
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2021.01.025
摘要

Rechargeable aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) have become a research hotspot in recent years, due to their huge potential for high-energy, fast-rate, safe and low-cost energy storage. To realize good electrochemical properties of ZIBs, cathode materials with prominent Zn2+ storage capability are highly needed. Herein, we report a promising ZIB cathode material based on electrochemically induced transformation of vanadium oxides. Specifically, K2V6O16·1.5H2O nanofibers were synthesized through a simple stirring method at near room temperature and then used as cathode materials for ZIBs in different electrolytes. The cathode presented superior Zn2+ storage capability in Zn(OTf)2 aqueous electrolyte, including high capacity of 321 mAh/g, fast charge/discharge ability (96 mAh/g delivered in 35 s), high energy density of 235 Wh/kg and good cycling performance. Mechanism analysis evidenced that in Zn(OTf)2 electrolyte, Zn2+ intercalation in the first discharge process promoted K2V6O16·1.5H2O nanofibers to transform into Zn3+xV2O7(OH)2·2H2O nanoflakes, and the latter served as the Zn2+-storage host in subsequent charge/discharge processes. Benefiting from open-framework crystal structure and sufficiently exposed surface, the Zn3+xV2O7(OH)2·2H2O nanoflakes exhibited high Zn2+ diffusion coefficient, smaller charge-transfer resistance and good reversibility of Zn2+ intercalation/de-intercalation, thus leading to superior electrochemical performance. While in ZnSO4 aqueous electrolyte, the cathode material cannot sufficiently transform into Zn3+xV2O7(OH)2·2H2O, thereby corresponding to inferior electrochemical behaviors. Underlying mechanism and influencing factors of such a transformation phenomenon was also explored. This work not only reports a high-performance ZIB cathode material based on electrochemically induced transformation of vanadium oxides, but also provides new insights into Zn2+-storage electrochemistry.
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