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水系锌离子电池正极材料的研究进展

         
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水系锌离子电池(ZIBs)是近年发展起来的一种新型二次电池,具有能量密度高、功率密度高、放电过程高效安全、电池材料无毒廉价、制备工艺简单等优点,在电动汽车和储能电网等新兴的大规模储能领域具有很高的应用价值和发展前景。目前,阻碍水系锌离子电池进一步发展的主要因素之一就是缺乏合适的正极材料。Zn^(2+)及其水合离子半径大,在嵌入/脱附时,会引发正极材料不可逆形变甚至结构坍塌,导致电池容量快速衰减;正极材料导电性较差、充放电过程中电极极化较大,使得正极充电电压与析氧电压部分重合,充电过程中正极材料会对水进行催化产生氧气,导致电池胀气失效;二价的Zn^(2+)与正极材料的晶体结构之间的静电相互作用过强,导致Zn^(2+)嵌入容量小等。因此,开发在Zn^(2+)存储过程中既能提供高容量又能保持良好结构稳定性的正极材料至关重要。针对水系锌离子电池正极材料存在的缺陷,研究人员采用多种改性方法以改良其性能:(1)引入客体粒子,通过引入金属离子、有机分子和水分子等客体粒子,使主体框架发生结构性变化,获得更稳定的骨架;(2)制备本征混合价态材料,混合价态能够适应充放电过程中正极材料的体积变化和价态变化;(3)引入氧空位,增加活性位点,促进Zn^(2+)扩散动力学,提升材料容量;(4)与导电材料复合,改善材料整体导电性,提升结构稳定性;(5)纳米结构改性,赋予材料更高比表面积,缩短Zn^(2+)扩散距离,增大电化学反应接触面积。本文对水系锌离子电池的优点及储能机理进行了简要介绍,基于正极材料在水系锌离子电池中的关键作用,综述了几种常见的正极材料(如锰氧化物、钒氧化物、普鲁士蓝类似物),且对各类正极材料的结构、性能及缺陷进行了梳理,重点讨论了掺杂客体粒子、复合导电材料、制备本征混合价态和构造纳米结构等改性方法,并指出水系锌离子电池正极材料未来的重点发展方向。

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