中南大学材料学院梁叔全

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中南大学Nano Energy：具有稳定结构和快速离子扩散通道的钒酸钾作为可充电水系锌离子电池的正极

水系锌离子电池（ZIBs）具有低成本、安全、环境友好等特点。目前研究的水系Zn/MnO2电池，虽然容量可达200 mA h g-1以上，但循环性能需要进一步改善。另一种具有开放式结构的水系ZIBs正极材料——普鲁士蓝类似物也表现出容量低、倍率性能较差的特点，不能满足大规模储能的需要。研究表明，具有稳定结构的纳米金属钒酸盐（AxVmOn，A=金属阳离子）可以应用于水系和非水系锂离子/钠离子电池。其纳米结构可以缩短离子的扩散路径，增加电解质和活性物质之间的接触面积。这些优势使其在水系ZIBs正极材料领域十分具有前景。K+的半径(0.138 nm)大于Li+ (0.076 nm)、Na+ (0.102 nm)的半径，其在钒氧层间可以起到更强的支撑作用，从而可以提高材料的结构稳定性。相比于其他钒基材料，钾离子插层的钒氧化物可以为Zn2+(0.074 nm)的可逆嵌入/脱出提供了较大的空间，因此在水系ZIBs正极材料领域具有很大的潜力。

近日，中南大学梁叔全教授和周江特聘教授等人首次报道了一系列钒酸钾纳米材料（K2V8O21，K0.25V2O5，K2V6O16·1.57H2O和KV3O8）作为水系ZIBs的正极材料。研究发现，与结构容易坍塌的层状KV3O8和K2V6O16·1.57H2O相比，具有隧道结构的K2V8O21和K0.25V2O5有助于锌离子扩散，并且可以在循环过程中保持稳定的结构。K2V8O21正极具有最佳的储锌性能，在0.3 A g-1时，具有247 mA h g-1的高容量；在6 A g-1的电流密度下循环300次的容量还可保持在128mA h g-1，具有优异循环稳定性和倍率性能。此外，通过GITT、非原位X射线等表征手段表明K2V8O21电极具有较高的离子电导率与结构稳定性。因此，K2V8O21是一种非常有前景的水系ZIBs正极，具有类似结构的β-Na0.33V2O5，Li0.3V2O5，Ag0.33V2O5等材料亦可推广作为水系ZIBs正极材料。该成果完成人为唐博雅硕士、方国赵博士（共同一作），周江特聘教授、梁叔全教授（共同通讯）等人，并以“Potassium vanadates with stable structure and fast ion diffusion channel as cathode for rechargeable aqueous zinc-ion batteries”为题发表在Nano Energy上。