强强联合！麦立强/陆俊等，最新Nature Catalysis：快充长寿命水系锌离子电池！

第一作者：Yuhang Dai, Ruihu Lu, Chengyi Zhang, Jiantao Li.

通讯作者：麦立强、王子运、Khalil Amine、陆俊

通讯单位：武汉理工大学、新西兰奥克兰大学、美国阿贡国家实验室、浙江大学

论文速览

以安全、高能量密度和快速充电而闻名的可充电水系锌离子电池(AZIBs)是电网规模储能的首选。历史上，以离子迁移行为为中心的离子穿梭模型一直主导着对水系电池充电/放电过程的解释，如经典的离子插入/提取和赝电容机制。

本研究提出了一种新的催化模型，用以解释水系锌离子电池（AZIBs）中Zn²⁺异常现象。该模型通过吸附催化的概念来阐释Zn²⁺在电池充放电过程中的异常行为，这一行为主要由溶剂化的金属阳离子和阴极材料决定。

通过第一性原理计算，研究团队发现Zn²⁺与氮化钒（VN）的组合具有最佳的吸附/脱附行为（水解离过程）。

实验上，采用VN阴极的AZIBs展现出快速充电动力学，显示出在300,000 mA g⁻¹电流密度下的容量为577.1 mAh g⁻¹。掌握AZIBs中的催化步骤可以推动超越现有快速充电电池的解决方案。

图文导读

图1：离子穿梭和催化模型在描述AZIBs中的应用。

图2：水解离模型的机理研究。

图3：纯VN和VN@rGO的设计和形态。

图4：VN@rGO和VNxOy@rGO的结构信息和演变。

图5：VN@rGO和VNxOy@rGO在2M ZnSO₄水系电解液中的电化学行为。

总结展望

本研究通过提出一种新的催化模型，深入理解了AZIBs的充放电机制，特别是Zn²⁺在其中的异常行为。研究发现，Zn²⁺与VN的组合在水解离过程中表现出优异的吸附/脱附性能，这一发现对于实现快速充电具有重要意义。

实验验证了理论模型，展示了在极高电流密度下（300,000 mA ^g−1）仍然能够保持较高容量（577.1 mAh ^g−1）的快速充电性能。

此外，VN@rGO电极在长期循环稳定性方面也表现出色，经过10,000次循环后容量保持在585.7 mAh g⁻¹以上。这些结果不仅为设计新型快速充电电池提供了理论基础和实验依据，同时也强调了催化在电化学能量存储中的关键作用。

文献信息

标题：Zn²⁺-mediated catalysis for fast-charging aqueous Zn-ion batteries

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01169-6