Organic–Inorganic Hybrid Cathode with Dual Energy‐Storage Mechanism for Ultrahigh‐Rate and Ultralong‐Life Aqueous Zinc‐Ion Batteries

材料科学 阴极 储能 化学工程 水溶液 离子 扩散阻挡层 纳米技术 无机化学 图层(电子) 冶金 物理化学 有机化学 功率(物理) 化学 工程类 物理 量子力学
作者
Xuemei Ma,Xinxin Cao,Mengli Yao,Lutong Shan,Xiaodong Shi,Guozhao Fang,Anqiang Pan,Bingan Lu,Jiang Zhou,Shuquan Liang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (6) 被引量:248
标识
DOI:10.1002/adma.202105452
摘要

The exploitation of cathode materials with high capacity as well as high operating voltage is extremely important for the development of aqueous zinc-ion batteries (ZIBs). Yet, the classical high-capacity materials (e.g., vanadium-based materials) provide a low discharge voltage, while organic cathodes with high operating voltage generally suffer from a low capacity. In this work, organic (ethylenediamine)-inorganic (vanadium oxide) hybrid cathodes, that is, EDA-VO, with a dual energy-storage mechanism, are designed for ultrahigh-rate and ultralong-life ZIBs. The embedded ethylenediamine (EDA) can not only increase the layer spacing of the vanadium oxide, with improved mobility of Zn ions in the V-O layered structure, but also act as a bidentate chelating ligand participating in the storage of Zn ions. This hybrid provides a high specific capacity (382.6 mA h g-1 at 0.5 A g-1 ), elevated voltage (0.82 V) and excellent long-term cycle stability (over 10 000 cycles at 5 A g-1 ). Assistant density functional theory (DFT) calculations indicate the cathode has remarkable electronic conductivity, with an ultralow diffusion barrier of 0.78 eV for an optimal Zn-ion diffusion path in the EDA-VO. This interesting idea of building organic-inorganic hybrid cathode materials with a dual energy-storage mechanism opens a new research direction toward high-energy secondary batteries.
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