New Insight on Open‐Structured Sodium Vanadium Oxide as High‐Capacity and Long Life Cathode for Zn–Ion Storage: Structure, Electrochemistry, and First‐Principles Calculation

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作者
Jae Hyeon Jo,Yauhen Aniskevich,Jongsoon Kim,Ji Ung Choi,Hee Jae Kim,Young Hwa Jung,Docheon Ahn,Tae‐Yeol Jeon,Kug‐Seung Lee,Seok Hyun Song,Hyungsub Kim,Genady Ragoisha,A.V. Mazanik,Е.А. Streltsov,Seung‐Taek Myung
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:10 (40) 被引量:63
标识
DOI:10.1002/aenm.202001595
摘要

Abstract Herein, the promising properties of open‐structured NaV 3 O 8 as a cathode material for Zn‐ion batteries (ZIBs) are investigated. First‐principles calculations predict the insertion of Zn 2+ (0.74 Å) in NaV 3 O 8 with an interlayer distance of ≈7 Å, enabling delivery of a high discharge capacity of 353 mAh g −1 at 70 mA g −1 (0.2 C) for 300 cycles in the operating window of 0.3−1.5 V in 1 m Zn(CF 3 SO 3 ) 2 aqueous solution. Operando synchrotron X‐ray diffraction, X‐ray absorption near edge structure spectroscopy, and first‐principles calculations validate the insertion of Zn 2+ into the NaV 3 O 8 structure within the operation range. Moreover, operando synchrotron X‐ray diffraction and operando Raman spectroscopy reveal the formation of layered zinc hydroxytriflate (Zn 5 (OH) 8 (CF 3 SO 3 ) 2 ∙ x H 2 O) as a side reaction below 0.8 V on discharge (reduction) and its dissolution into the electrolyte above 0.8 V on charge (oxidation). The formation of the Zn hydroxytriflate interfacial layer increases the charge‐transfer activation energy from 15.5 to 48 kJ mol −1 , leading to kinetics fade below 0.8 V. The findings reveal the charge‐storage mechanism for NaV 3 O 8 , which may also be applicable to other vanadate cathodes, providing new insights for the investigation and design of ZIBs.
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