Hydrated Calcium Vanadate Nanoribbons with a Stable Structure and Fast Ion Diffusion as a Cathode for Quasi-Solid-State Zinc-Ion Batteries

材料科学 钒酸盐 阴极 电解质 化学工程 水溶液 无机化学 冶金 电极 物理化学 化学 工程类
作者
Penghua Liang,Kongjun Zhu,Yu Rao,Zhihan Kong,Jiatao Chen,Hongjuan Zheng,Jinsong Liu,Kang Yan,Jing Wang,Kaiyang Zeng
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (19): 24723-24733 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acsami.4c03309
摘要

We demonstrated the use of hydrated calcium vanadate (CaV6O16·3H2O, denoted as CaVO-2) as a cathode for aqueous zinc-ion batteries (AZIBs). Nanoribbons of hydrated calcium vanadate facilitated shortening of the Zn2+ transport distance and accelerated zinc-ion insertion. The introduction of interlayer structure water increased the interlayer spacing of calcium vanadate and as a "lubricant". Ca2+ insertion also expanded the interlayer spacing and further stabilized the interlayer structure of vanadium-based oxide. The density functional theory results showed that the introduction of Ca2+ and structured water could effectively improve the diffusion kinetics, resulting in the rapid transport of zinc ions. As a result, AZIBs based on the CaVO-2 cathode offered high specific capacity (329.6 mAh g–1 at 200 mA g–1) and fast charge/discharge capability (147 mAh g–1 at 10 A g–1). Impressively, quasi-solid-state zinc-ion batteries based on the CaVO-2 cathode and polyacrylamide–cellulose nanofiber hydrogel electrolytes maintained an outstanding specific capacity and long cycle life (162 mAh g–1 over 10 000 cycles at 5 A g–1). This study provided a reliable strategy for metal-ion insertion and the structural water introduction of oxides to produce a high-quality cathode for ZIBs. Meanwhile, it provides ideas for the combination of vanadium-based materials and gel electrolytes to construct solid-state zinc-ion batteries.
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