我所揭示鋅離子電池正極孔道材料中的儲鋅機制

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　　近日，我所催化基礎國家重點實驗室無機膜與催化新材料研究組（504組）楊維慎研究員和朱凱月副研究員團隊在水系鋅離子電池機理研究方面取得新進展，將結構穩定的孔道材料MoV_0.41Te_0.12O₄（MVT-M1）應用于鋅離子電池的正極，并在原子尺度上直接觀察到隧道內Zn²⁺的嵌入和脫嵌過程。

　　水系鋅離子電池具有高安全性、高功率密度、低成本和環境友好等優點，被認為是新一代安全儲能技術之一。其中，正極材料對電池的工作電壓、容量和穩定性起著決定性作用，是整個鋅離子電池研究的關鍵。因此，開發具有高容量和長循環穩定性的鋅離子電池正極材料具有重要意義。

　　目前，釩基材料和錳基材料作為水系鋅離子電池正極材料，在容量和穩定性方面都取得了長足的進展。然而，正極側離子的儲存機理仍然不明確，尤其是缺乏直接證據證明鋅離子儲存到了孔道或者層間。這主要受限于水合的層狀材料在電子束的轟擊下易失水，導致層間距變化；以及孔道結構的釩基和錳基材料在鋅離子電池運行過程中易發生溶解和相變。

　　本工作中，研究團隊將結構穩定的孔道材料MoV_0.41Te_0.12O₄（MVT-M1）應用于鋅離子電池的正極。MVT-M1具有寬而穩定的六元環（約5Å）和七元環（約6Å）隧道，有利于循環過程中可逆的Zn²⁺嵌入和脫嵌，并且富含氧化還原中心（Mo、V、Te），促進電荷再分配，從而在鋅離子電池中表現良好的性能。此外，得益于MVT-M1對高能電子束有出色的抗轟擊能力，研究團隊利用高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡在原子尺度上直接觀察到隧道內Zn²⁺的插入和提取過程。此外，團隊利用飛行時間二次離子質譜法，精確地測定了鋅離子在正極內從表面到體相的逐層儲存位置；通過對采用不同分子尺寸溶劑的電解質進行性能比較，發現溶劑也需要進入孔道才能確保鋅離子的儲存。

　　該工作不僅對于深入理解Zn²⁺在材料中的存儲機制具有重要意義，并為高效存儲Zn²⁺的材料優化提供了明確的方向。

　　上述工作以“Atomic scale analysis of Zn²⁺ storage in robust tunnel frameworks”為題，于近日發表在《化學科學》（Chemical Science）上。該工作的第一作者是我所504組副研究員朱凱月。上述工作得到了國家自然科學基金、我所創新基金等項目的資助。（文/圖 朱凱月）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D3SC03380E