Two Birds with One Stone: Boosting Zinc-Ion Insertion/Extraction Kinetics and Suppressing Vanadium Dissolution of V2O5 via La3+ Incorporation Enable Advanced Zinc-Ion Batteries

材料科学 阴极 水溶液 溶解 电化学 动力学 离子 纳米技术 化学工程 无机化学 电极 物理化学 冶金 化学 工程类 有机化学 物理 量子力学
作者
Dongdong Zhang,Jin Cao,Yilei Yue,Teerachote Pakornchote,Thiti Bovornratanaraks,Jiantao Han,Xinyu Zhang,Jiaqian Qin,Yunhui Huang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (32): 38416-38424 被引量:84
标识
DOI:10.1021/acsami.1c11531
摘要

Aqueous zinc-ion batteries (ZIBs) with cost-effective and safe features are highly competitive in grid energy storage applications, but plagued by the sluggish Zn2+ diffusion kinetics and poor cyclability of cathodes. Herein, a one-stone-two-birds strategy of La3+ incorporation (La–V2O5) is developed to motivate Zn2+ insertion/extraction kinetics and stabilize vanadium species for V2O5. Theoretical and experimental studies reveal the incorporated La3+ ions in V2O5 can not only serve as pillars to expand the interlayer distance (11.77 Å) and lower the Zn2+ migration energy barrier (0.82 eV) but also offer intermediated level and narrower band gap (0.54 eV), thus accelerating the electron/ion diffusion kinetics. Importantly, the steadily doped La3+ ions effectively stabilize the V–O bonds by shortening the bond length, thereby inhibiting vanadium species dissolution. Therefore, the resulting La–V2O5-ZIBs deliver an exceptional rate capacity of 405 mA h g–1 (0.1 A g–1), long-term stability with 93.8% retention after 5000 cycles (10 A g–1), and extraordinary energy density of 289.3 W h kg–1, outperforming various metal-ions-doped V2O5 cathodes. Moreover, the La–V2O5 pouch cell presents excellent electrochemical performance and impressive flexibility and integration ability. The strategies of incorporating rare-earth-metal ions provide guidance to other well-established aqueous ZIBs cathodes and other advanced electrochemical devices.
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