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欠陥のあるバナジウムブロンズを水系亜鉛イオン電池の優れた正極として利用する
Defected vanadium bronzes as superb cathodes in aqueous zinc-ion batteries.
PMID: 32657312 DOI: 10.1039/d0nr03394d.
抄録
高速、高効率、安全、低コストのエネルギー貯蔵のニーズが高まっています。水性亜鉛イオン電池（AZIB）はこのニーズに応えることができるかもしれないが、不安定な構造と層状正極材料の最適化されていない相互配置のために、容量フェードが速く、イオン拡散速度が悪いという問題がある。ここでは、バナジウムブロンズ構造内にアニオン性欠陥とカチオン性基を相乗的に誘導して、イオン拡散速度を改善し、容量を増大させる構造工学的戦略を提案する。発見した材料をAZIBの陰極として使用したところ、0.2A g-1の電流密度で435mA h g-1の高容量を示し、10A g-1で1500サイクル後も95%の容量を保持する優れた安定性を示した。この実験と計算を組み合わせた研究により、状態密度計算により決定された高多孔質構造とd間隔の拡大と電子伝導性の向上の両方から、Zn2+の急速な貯蔵が達成されたことが体系的に示された。プレインターカレート種を制御し、酸素欠損を調整することで達成されたバナジウムブロンズ型カソードの改良は、優れた材料設計の実現への道を開くものであり、その実現可能性は本研究で証明された。
There is a growing need for fast, efficient, safe, and low-cost energy storage. Aqueous zinc-ion batteries (AZIBs) may be able to address this need, but suffer from fast capacity fade and poor ion diffusion kinetics due to unstable structures and non-optimised interspacing of layered cathode materials. Herein, we propose a structural engineering strategy by synergistically inducing anionic defects and cationic groups within vanadium bronze structures to improve kinetics and boost capacity. The materials discovered and used as the cathodes in AZIBs showed a high capacity of 435 mA h g-1 at a current density of 0.2 A g-1 and excellent stability with 95% capacity retention after 1500 cycles at 10 A g-1. This combined experimental and computational study systemically indicated that rapid Zn2+ storage was achieved from both a highly porous structure and enlarged d-spacing combined with improved electron conductivity as determined by density of states calculations. The modification of vanadium bronze-type cathodes achieved by controlled pre-intercalated species and tailored oxygen deficiency opens up an avenue for the realization of superior material design, whose feasibility is proved in this work.