刘卓鑫在《Adv. Mater.》、《Energy Environ. Sci.》发表水系电池相关论文

tianliang

非金属离子（如NH4+）作为载流子在水系二次电池中展现出快速的动力学传输和优异的倍率能力，其小水合离子尺寸（3.31 Å）和独特的拓扑化学性质使其具有广阔的应用潜力。目前已有多项研究专注于铵离子储存材料，其中具有隧道和层状结构的过渡金属化合物引起了广泛关注。然而，大多数关于层状材料的研究都集中在层间氢键的扩散机制上，而忽略了层内结构的功能。事实上，通道也存在于层上，类似于材料的层内隧道。也就是说，铵离子不仅可以沿着层间迁移，还可以在层内进行跨层转移。因此，重新评估层内通道在铵离子储存和迁移过程中的作用具有重要意义。

       鉴于此，深圳大学刘卓鑫助理教授与香港城市大学支春义教授、南方科技大学李洪飞助理教授等采用电化学相变方法原位合成了以(200)晶面为主导生长的层状VOPO4·2H2O（E-VOPO）。研究证明，(001)层上的四方通道不仅提供了铵离子的储存位点，还通过提供层内快速通道改善了离子迁移的动力学特性。与传统的VOPO4·2H2O（VOPO）相比，制备的E-VOPO展现出优越的铵离子储存能力，具有显著增加的比容量、出色的倍率性能和可靠的循环稳定性。通过将E-VOPO阳极与CuFe 普鲁士蓝类似物（CuFe PBA）阴极配对，构建的全电池可以在2Ag−1下稳定运行12500次充放电循环，总持续运行超过70天。相关成果以“Unlocking High-Performance Ammonium-Ion Batteries: Activation of In-Layer Channels for Enhanced Ion Storage and Migration”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上。本文第一作者为深圳大学张祥勇博士后。
       全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202304209
       水系非液流锌溴电池（NF-ZBBs）由于其低成本、高安全性和高容量等特点，在能源存储系统方面展现出巨大潜力。然而，转化型的溴正极在关键问题上受到了严重制约，包括多溴化物形成及其穿梭效应导致的容量损失以及溴的绝缘性质导致的缓慢反应动力学。已报道的研究侧重于开发具有大比表面积、强吸附能力和高导电性的阴极宿主来解决这些问题。然而，由于吸附/宿主位点有限以及多溴化物持续的扩散，使非液流锌溴电池的应用存在极大挑战。此外，已报道的水系锌溴电池放电电压通常≤1.75 V，与理论值1.84 V相距较大。
        为解决上述问题，深圳大学刘卓鑫助理教授、香港城市大学支春义教授、南方科技大学李洪飞助理教授开发了一种采用二维共轭多酞菁镍（NiPPc）作为吸附-催化阴极宿主的高性能水系NF-ZBB。NiPPc阴极宿主具有以下几个明显优势：（1）原子级分散的Ni-N4位点提供丰富的催化活性位点。与碳原子相比，这些密集的金属中心表现出相对较强的极性，为溴和多溴离子提供了丰富的吸附位点。（2）π-π堆积的层状酞菁基金属有机框架具有良好的载流子传输能力，从而促进了优越的氧化还原动力学。（3）多孔结构有利于溴的大量负载。因此，使用NiPPc宿主构建的非液流锌溴电池在电化学性能方面得到显著提升，包括比容量、倍率性能、循环稳定性和放电平台电压。以溴化钾作为活性物质，电池在5 A g−1的电流密度下表现出高比容量（240 mAh g−1KBr），并3000次循环达到约95%的容量保持率和约99%的库仑效率。NiPPc的显著催化活性还使得电池在2 A g−1的电流密度下实现了高达1.82 V的高放电平台电压，接近理论放电电压。相关成果以“Boosting aqueous non-flow zinc–bromine batteries with a two-dimensional metal–organic framework host: an adsorption-catalysis approach”为题发表在国际顶级期刊Energy & Environmental Science上。本文第一作者为深圳大学魏桦博士后。
        全文链接：https://doi.org/10.1039/D3EE01639K
        文章来源：深圳大学
        刘卓鑫，深圳大学材料学院助理教授、特聘副研究员，硕士生导师，深圳市海外高层次人才（B类）。主要从事的研究领域为柔性能源器件，包括水系储能、热化学电池、有机热电等。承担国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广东省普通高校青年创新人才等项目，在 Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater.，Energy Environ. Sci.，Adv. Energy Mater.，Adv. Funct. Mater.，CCS Chem. 等学术期刊上发表论文70余篇，获引用10000余次，h-index为47，入选科睿唯安2022年度全球高被引科学家。授权美国专利2项、中国专利2项，担任欧洲研究委员会（European Research Council）项目评审专家、Frontiers in Chemistry期刊Polymer Chemistry方向副主编、Journal of Energy Chemistry期刊青年编委。