前期,郑俊荣老师与其指导的博士研究生以高能球磨得到的纳米四氧化三锰为正极,金属锌箔为负极,以含有锌、锰离子的混合水溶液为电解液组装二次电池,在100 mA g-1的电流密度下,经过10次循环,尖晶石四氧化三锰发生相转变,逐渐转变为二氧化锰,同时比容量增加至221 mA h g-1;在500 mA g-1的电流密度下,充放电500次后,比容量保持在136 mAh g-1,保持92%。经过XRD、TEM、XPS的综合表征,在充放电过程中,H+嵌入/脱出MnO2。 制备的可充放水系锌锰离子电池具有电化学能量高、循环性能好、易于大量制备、安全环保等特点,解决了水热法或者原位电化学沉积法不能大量制备正极材料的难题,有望用于大规模储能领域和取代铅酸电池,具备广阔市场前景,相关工作发表于ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 16055−16063.
近期,他们通过设计一个新的多级多孔锌钒氧化物结构来解决层状的钒氧化物正极材料在充放电过程中遭受Zn2+嵌入/脱出产生的应力引起晶格膨胀/收缩导致的结构变形,电池循环稳定性差的问题。这种Zn0.3V2O5•1.5H2O正极在0.2 A g-1下,具有高的比容量为426 mA h g-1,表现出前所未有的超长循环稳定性,在10 A g-1下,20,000次循环后,容量保持96%。其电化学机理如下:锌离子插入引起晶格收缩,水合氢离子插入引起晶格膨胀,相互抵消,在充放电过程中,晶格保持不变,有利于循环稳定性。多级多孔结构提供了正极材料与电解液丰富的接触,缩短离子扩散路径,缓解了在电化学过程中产生的应力提供缓冲,有利于快速动力学和长期稳定性。发展的电化学方法制备的三维钒氧化物具有能量密度高、倍率性能好、循环稳定、易于制备等特点,推动了水系锌离子电池的发展。
该工作最近以“Ultralong cycle stability of aqueous zinc-ion batteries with zinc vanadium oxide cathodes”为题在线发表于Science Advances上(DOI: 10.1126/sciadv.aax4279)。郑俊荣课题组的16级博士研究生王鲁鲁为第一作者,郑俊荣和陈继涛老师为共同通讯作者。相关研究工作受到了国家自然科学基金委、北京分子科学国家研究中心的资助。
郑俊荣,博士,北京大学教授。生于1973年10月,1997年本科毕业于北京大学化学学院,2000年在北京大学化学学院高分子系获得硕士学位后赴美留学,先后于美国伦斯勒理工学院化学系、斯坦福大学化学系获得硕士、博士学位,随后在斯坦福大学化学系从事博士后研究。2008年10月赴加州大学伯克利分校物理系做访问学者,2009年8月至2015年,在美国莱斯大学化学系担任助理教授一职。2015年起回北大化学院任研究员。2001年获得阿尔巴尼国际奖学金(Albany International Fellowship), 2006年获得斯坦福奖学金(Stanford Graduate Fellowship), 2007年获得分析化学与光谱协会的汤马斯赫斯费尔德奖 (Tomas Hirschfeld Scholar Award,Federation of Analytical Chemistry and Spectroscopy Societies),2008年获得韦尔奇基金会的诺曼赫克曼韦尔奇杰出青年奖(Norman Hackerman Welch Young Investigator Award,Robert A. Welch Foundation)。自2009 年起加入美国莱斯大学建立自己的实验室后,郑俊荣博士主要从事飞秒激光光谱的研究,建立起了一支在激光技术和超快激光光谱研发、理论研究及应用方面具有国际领先水平的科研团队并组建了美国Uptek Solutions公司。主持(PI)在研基金项目5项,已结题项目3项,共同主持(co-PI)基金项目1项,个人负责经费约335万美元。2011年获帕卡德科学与工程基金奖(Packard Fellowship in Science and Engineering)及美国空军研究院杰出青年奖(Air Force Young Investigator Award),2014年获斯隆研究奖(Sloan Research Fellowship)。