青岛科技大学李镇江EnSM:PVP诱导的VS4协同工程,增强储镁性能和耐久性

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离子电池(MIBs)由于具有高理论体积比容量(3833 mAh cm-3)、低成本、高安全性和最小的环境影响等突出优点而受到广泛关注。但其动力学迟缓、循环寿命差和正极比容量较低等限制了其实际应用。另一方面,标准氯化物电解液中的主要活性物质MgCl+也可以作为工作离子,但由于其离子半径大,难以嵌入正极材料中,高结合能容易破坏Mg-Cl键。解决上述问题的有效改性策略之一是扩大正极材料的间距。同时,掺杂正极材料作为提高Mg2+存储性能的另一种有效策略。与外来离子掺杂剂不同,通过自掺杂可实现晶格畸变最小化,从而保持活性材料的结构稳定性。自掺杂还可以提高电荷载流子的传输速率,以实现优异的循环稳定性和明显的倍率性能。


青岛科技大学李镇江教授等将PVP创新性地与VS4结合并诱导协同作用,包括扩大链间距、V3+自掺杂、丰富的硫空位和(020)晶面的选择性暴露活性表面,从而导致了Mg2+和MgCl+的快速共嵌入动力学,电解液渗透,更多的活性位点暴露,以及嵌入/脱出过程中的应变/应力弛豫,从而在结构上获得了高稳定性。因此,这种新颖的PVP-VS4设计表现出长循环稳定性(以5000 mA g-1的倍率循环1500次后具有80%的容量保持率)和出色的倍率性能(在50 mA g-1下为140 mAh g-1和在5000 mA g-1下为45 mAh g-1)。同时,通过恒电流间歇滴定技术(GITT)和密度泛函理论(DFT)计算进一步证实了其快速的反应动力学。此外,通过一系列的非原位研究和赝电容贡献分析,阐明了储能机制和赝电容行为,且PVP-VS4提供了由PVP掺入而引起的更高抗自放电能力。因此,PVP诱导的协同工程为设计用于下一代储能的各种有效插层主体材料开辟了新机遇。相关论文以“PVP-induced synergistic engineering of interlayer, self-doping, active surface and vacancies in VS4 for enhancing magnesium ions storage and durability”为题发表在Energy Storage Materials 

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图1:VS4和PVP-VS4纳米片合成过程、微观结构调控和增强Mg2+扩散动力学的结构演化示意图。


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图2:材料谱学性质表征。


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图3:材料形貌表征。


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图4:半电池的电化学性质


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图5:电导率测试。


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图6:PVP-VS4电化学反应机理分析。


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图7:自放电行为的测量。


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图8:动力学性质研究。


PVP-induced synergistic engineering of interlayer, self-doping, active surface and vacancies in VS4 for enhancing magnesium ions storage and durability,Energy Storage Materials, 2022, https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.02.023


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参考文献: