水系锌离子电池用钒基正极材料的研究进展

衡永丽 谷振一 郭晋芝 吴兴隆

引用本文: 衡永丽, 谷振一, 郭晋芝, 吴兴隆. 水系锌离子电池用钒基正极材料的研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(3): 200501. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005013 shu
Citation:  Heng Yongli, Gu Zhenyi, Guo Jinzhi, Wu Xinglong. Research Progresses on Vanadium-Based Cathode Materials for Aqueous Zinc-Ion Batteries[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(3): 200501. doi: 10.3866/PKU.WHXB202005013 shu

水系锌离子电池用钒基正极材料的研究进展

    作者简介:


    吴兴隆,东北师范大学教授,2011年博士毕业于中国科学院化学研究所,并继续两年博士后研究后,加入东北师范大学工作至今。目前主要从事金属离子电池用先进电极材料、废旧锂离子电池回收等方面的研究工作;
    通讯作者: 吴兴隆, xinglong@nenu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(91963118), 吉林省科技厅自然科学基金(20200201066JC)和吉林省教育厅“十三五”科技计划(JJKH20201179KJ)资助项目

摘要: 水系锌离子电池(aqueous zinc-ion batteries,AZIBs)具有高安全性、低生产成本、锌资源丰富和环境友好等优点,被认为是未来大规模储能系统中极具发展前景的储能装置。目前,AZIBs的研究关键之一在于开发具有稳定结构和高容量的锌离子可脱嵌正极材料。钒基化合物用作AZIBs正极时,表现出可逆容量高和结构丰富可变等特点,受到了广泛的关注和研究。然而,钒基化合物的储锌机理较复杂,不同材料通常表现出各异的电化学性能和储能机理。在本综述中,我们全面地阐述了钒基化合物的储能机制,并探讨了钒基材料在水系锌离子电池中的应用和发展近况,以及它们的性能优化策略。在此基础上,也进一步地展望了水系锌离子电池及其钒基正极材料的发展方向。

English

    1. [1]

      Chu, S.; Majumdar, A. Nature 2012, 488, 294. doi: 10.1038/nature11475

    2. [2]

      Stougie, L.; Giustozzi, N.; van der Kooi, H.; Stoppato, A. Int. J. Energy Res. 2018, 42, 2916. doi: 10.1002/er.4037

    3. [3]

      Yang, Y. Q.; Bremner, S.; Menictas, C.; Kay, M. Renew. Sust. Energy Rev. 2018, 91, 109. doi: 10.1016/j.rser.2018.03.047

    4. [4]

      Abraham, K. M. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 830. doi: 10.1021/jz5026273

    5. [5]

      Li, M.; Lu, J.; Chen, Z. W.; Amine, K. Adv. Mater. 2018, 30, 1800561. doi: 10.1002/adma.201800561

    6. [6]

      Sarma, D. D.; Shukla, A. K. ACS Energy Lett. 2018, 3, 2841. doi: 10.1021/acsenergylett.8b01966

    7. [7]

      Yoshino, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 5798. doi: 10.1002/anie.201105006

    8. [8]

      Liu, Z. Y.; Huang, Y.; Huang, Y.; Yang, Q.; Li, X. L.; Huang, Z. D.; Zhi, C. Y. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 180. doi: 10.1039/c9cs00131j

    9. [9]

      Wang, Y. G.; Yi, J.; Xia, Y. Y. Adv. Energy Mater. 2012, 2, 830. doi: 10.1002/aenm.201200065

    10. [10]

      Fang, G. Z.; Zhou, J.; Pan, A. Q.; Liang, S. Q. ACS Energy Lett. 2018, 3, 2480. doi: 10.1021/acsenergylett.8b01426

    11. [11]

      Li, H. F.; Ma, L. T.; Han, C. P.; Wang, Z. F.; Liu, Z. X.; Tang, Z. J.; Zhi, C. Y. Nano Energy 2019, 62, 550. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.05.059

    12. [12]

      Ming, J.; Guo, J.; Xia, C.; Wang, W. X.; Alshareef, H. N. Mater. Sci. Eng. R 2019, 135, 58. doi: 10.1016/j.mser.2018.10.002

    13. [13]

      Selvakumaran, D.; Pan, A. Q.; Liang, S. Q.; Cao, G. Z. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 18209. doi: 10.1039/c9ta05053a

    14. [14]

      Song, M.; Tan, H.; Chao, D. L.; Fan, H. J. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1802564. doi: 10.1002/adfm.201802564

    15. [15]

      Xu, C. J.; Li, B. H.; Du, H. D.; Kang, F. Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 933. doi: 10.1002/anie.201106307

    16. [16]

      Alfaruqi, M. H.; Mathew, V.; Gim, J.; Kim, S.; Song, J.; Baboo, J. P.; Choi, S. H.; Kim, J. Chem. Mater. 2015, 27, 3609. doi: 10.1021/cm504717p

    17. [17]

      Guo, C.; Liu, H. M.; Li, J. F.; Hou, Z. G.; Liang, J. W.; Zhou, J.; Zhu, Y. C.; Qian, Y. T. Electrochim. Acta 2019, 304, 370. doi: 10.1016/j.electacta.2019.03.008

    18. [18]

      Islam, S.; Alfaruqi, M. H.; Mathew, V.; Song, J.; Kim, S.; Kim, S.; Jo, J.; Baboo, J. P.; Pham, D. T.; Putro, D. Y.; et al. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 23299. doi: 10.1039/c7ta07170a

    19. [19]

      Khamsanga, S.; Pornprasertsuk, R.; Yonezawa, T.; Mohamad, A. A.; Kheawhom, S. Sci. Rep. 2019, 9, 8441. doi: 10.1038/s41598-019-44915-8

    20. [20]

      Wang, C. Y.; Wang, M. Q.; He, Z. C.; Liu, L.; Huang, Y. D. ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 1742. doi: 10.1021/acsaem.9b02220

    21. [21]

      Wei, C. G.; Xu, C. J.; Li, B. H.; Du, H. D.; Kang, F. Y. J. Phys. Chem. Solids 2012, 73, 1487. doi: 10.1016/j.jpcs.2011.11.038

    22. [22]

      Trocoli, R.; La Mantia, F. ChemSusChem 2015, 8, 481. doi: 10.1002/cssc.201403143

    23. [23]

      Zhang, L. Y.; Chen, L.; Zhou, X. F.; Liu, Z. P. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1400930. doi: 10.1002/aenm.201400930

    24. [24]

      Zhang, L. Y.; Chen, L.; Zhou, X. F.; Liu, Z. P. Sci. Rep. 2015, 5, 18263. doi: 10.1038/srep18263

    25. [25]

      Kundu, D.; Adams, B. D.; Duffort, V.; Vajargah, S. H.; Nazar, L. F. Nat. Energy 2016, 1, 16119. doi: 10.1038/nenergy.2016.119

    26. [26]

      Xu, X. M.; Xiong, F. Y.; Meng, J. S.; Wang, X. P.; Niu, C. J.; An, Q. Y.; Mai, L. Q. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1904398. doi: 10.1002/adfm.201904398

    27. [27]

      Zhang, N.; Dong, Y.; Jia, M.; Bian, X.; Wang, Y. Y.; Qiu, M. D.; Xu, J. Z.; Liu, Y. C.; Jiao, L. F.; Cheng, F. Y. ACS Energy Lett. 2018, 3, 1366. doi: 10.1021/acsenergylett.8b00565

    28. [28]

      Li, Y. K.; Huang, Z. M.; Kalambate, P. K.; Zhong, Y.; Huang, Z. M.; Xie, M. L.; Shen, Y.; Huang, Y. H. Nano Energy 2019, 60, 752. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.04.009

    29. [29]

      Zhou, J.; Shan, L. T.; Wu, Z. X.; Guo, X.; Fang, G. Z.; Liang, S. Q. Chem. Commun. 2018, 54, 4457. doi: 10.1039/c8cc02250j

    30. [30]

      Kühnel, R. S.; Reber, D.; Battaglia, C. ACS Energy Lett. 2017, 2, 2005. doi: 10.1021/acsenergylett.7b00623

    31. [31]

      Zhang, N.; Cheng, F. Y.; Liu, Y. C.; Zhao, Q.; Lei, K. X.; Chen, C. C.; Liu, X. S.; Chen, J. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 12894. doi: 10.1021/jacs.6b05958

    32. [32]

      Huang, S.; Zhu, J. C.; Tian, J. L.; Niu, Z. Q. Chem. Eur. J. 2019, 25, 14480. doi: 10.1002/chem.201902660

    33. [33]

      Hu, P.; Yan, M. Y.; Zhu, T.; Wang, X. P.; Wei, X. J.; Li, J. T.; Zhou, L.; Li, Z. H.; Chen, L. N.; Mai, L. Q. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 42717. doi: 10.1021/acsami.7b13110

    34. [34]

      Chen, X. L.; Wang, L. B.; Li, H.; Cheng, F. Y.; Chen, J. J. Energy Chem. 2019, 38, 20. doi: 10.1016/j.jechem.2018.12.023

    35. [35]

      Dong, Y.; Di, S. L.; Zhang, F. B.; Bian, X.; Wang, Y. Y.; Xu, J. Z.; Wang, L. B.; Cheng, F. Y.; Zhang, N. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 3252. doi: 10.1039/c9ta13068c

    36. [36]

      Zhang, N.; Cheng, F. Y.; Liu, J. X.; Wang, L. B.; Long, X. H.; Liu, X. S.; Li, F. J.; Chen, J. Nat. Commun. 2017, 8, 405. doi: 10.1038/s41467-017-00467-x

    37. [37]

      Zhang, N.; Dong, Y.; Wang, Y. Y.; Wang, Y. X.; Li, J. J.; Xu, J. Z.; Liu, Y. C.; Jiao, L. F.; Cheng, F. Y. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 32978. doi: 10.1021/acsami.9b10399

    38. [38]

      Zhang, N.; Jia, M.; Dong, Y.; Wang, Y. Y.; Xu, J. Z.; Liu, Y. C.; Jiao, L. F.; Cheng, F. Y. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1807331. doi: 10.1002/adfm.201807331

    39. [39]

      Chen, L. L.; Yang, Z. H.; Cui, F.; Meng, J. L.; Chen, H. Z.; Zeng, X. Appl. Surf. Sci. 2020, 507, 145137. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.145137

    40. [40]

      Javed, M. S.; Lei, H.; Wang, Z. L.; Liu, B. T.; Cai, X.; Mai, W. J. Nano Energy 2020, 70, 104573. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104573

    41. [41]

      Wang, X. Y.; Ma, L. W.; Sun, J. K. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 41297. doi: 10.1021/acsami.9b13103

    42. [42]

      Wang, X. Y.; Ma, L. W.; Zhang, P. C.; Wang, H. Y.; Li, S.; Ji, S. J.; Wen, Z. S.; Sun, J. K. Appl. Surf. Sci. 2020, 502, 144207. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.144207

    43. [43]

      Chen, D.; Rui, X. H.; Zhang, Q.; Geng, H. B.; Gan, L. Y.; Zhang, W.; Li, C. C.; Huang, S. M.; Yu, Y. Nano Energy 2019, 60, 171. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.03.034

    44. [44]

      Ding, Y. C.; Peng, Y. Q.; Chen, W. Y.; Niu, Y. J.; Wu, S. G.; Zhang, X. X.; Hu, L. H. Appl. Surf. Sci. 2019, 493, 368. doi: 10.1016/j.apsusc.2019.07.026

    45. [45]

      Wang, H. L.; Bi, X. X.; Bai, Y.; Wu, C.; Gu, S. C.; Chen, S.; Wu, F.; Amine, K.; Lu, J. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1602720. doi: 10.1002/aenm.201602720

    46. [46]

      Yan, M. Y.; He, P.; Chen, Y.; Wang, S. Y.; Wei, Q. L.; Zhao, K. N.; Xu, X.; An, Q. Y.; Shuang, Y.; Shao, Y. Y.; et al. Adv. Mater. 2018, 30, 1703725. doi: 10.1002/adma.201703725

    47. [47]

      Yang, Y. Q.; Tang, Y.; Fang, G. Z.; Shan, L. T.; Guo, J. S.; Zhang, W. Y.; Wang, C.; Wang, L. B.; Zhou, J.; Liang, S. Q. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 3157. doi: 10.1039/c8ee01651h

    48. [48]

      Xu, G. B.; Liu, X.; Huang, S. J.; Li, L.; Wei, X. L.; Cao, J. X.; Yang, L. W.; Chu, P. K. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 706. doi: 10.1021/acsami.9b17653

    49. [49]

      Xia, C.; Guo, J.; Li, P.; Zhang, X. X.; Alshareef, H. N. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3943. doi: 10.1002/anie.201713291

    50. [50]

      Lan, B. X.; Peng, Z.; Chen, L. N.; Tang, C.; Dong, S. J.; Chen, C.; Zhou, M.; Chen, C.; An, Q. Y.; Luo, P. J. Alloys Compd. 2019, 787, 9. doi: 10.1016/j.jallcom.2019.02.078

    51. [51]

      Ming, F. W.; Liang, H. F.; Lei, Y. J.; Kandambeth, S.; Eddaoudi, M.; Alshareef, H. N. ACS Energy Lett. 2018, 3, 2602. doi: 10.1021/acsenergylett.8b01423

    52. [52]

      Yang, Y. Q.; Tang, Y.; Liang, S. Q.; Wu, Z. X.; Fang, G. Z.; Cao, X. X.; Wang, C.; Lin, T. Q.; Pan, A. Q.; Zhou, J. Nano Energy 2019, 61, 617. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.05.005

    53. [53]

      Geng, H. B.; Cheng, M.; Wang, B.; Yang, Y.; Zhang, Y. F.; Li, C. C. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1907684. doi: 10.1002/adfm.201907684

    54. [54]

      Liu, F.; Chen, Z. X.; Fang, G. Z.; Wang, Z. Q.; Cai, Y. S.; Tang, B. Y.; Zhou, J.; Liang, S. Q. Nanomicro Lett. 2019, 11, 25. doi: 10.1007/s40820-019-0256-2

    55. [55]

      Liu, S. C.; Zhu, H.; Zhang, B. H.; Li, G.; Zhu, H. K.; Ren, Y.; Geng, H. B.; Yang, Y.; Liu, Q.; Li, C. C. Adv. Mater. 2020, e2001113. doi: 10.1002/adma.202001113

    56. [56]

      Li, R. X.; Yu, X.; Bian, X. F.; Hu, F. RSC Adv. 2019, 9, 35117. doi: 10.1039/c9ra07340j

    57. [57]

      Lee, S.; Ivanov, I. N.; Keum, J. K.; Lee, H. N. Sci. Rep. 2016, 6, 19621. doi: 10.1038/srep19621

    58. [58]

      Ni, J.; Jiang, W. T.; Yu, K.; Sun, F.; Zhu, Z. Q. Cryst. Res. Technol. 2011, 46, 507. doi: 10.1002/crat.201100110

    59. [59]

      Chen, L. N.; Ruan, Y. S.; Zhang, G. B.; Wei, Q. L.; Jiang, Y. L.; Xiong, T. F.; He, P.; Yang, W.; Yan, M. Y.; An, Q. Y.; et al. Chem. Mater. 2019, 31, 699. doi: 10.1021/acs.chemmater.8b03409

    60. [60]

      Park, J. S.; Jo, J. H.; Aniskevich, Y.; Bakavets, A.; Ragoisha, G.; Streltsov, E.; Kim, J.; Myung, S. T. Chem. Mater. 2018, 30, 6777. doi: 10.1021/acs.chemmater.8b02679

    61. [61]

      Jia, D. D.; Zheng, K.; Song, M.; Tan, H.; Zhang, A. T.; Wang, L. H.; Yue, L. J.; Li, D.; Li, C. W.; Liu, J. Q. Nano Res. 2020, 13, 215. doi: 10.1007/s12274-019-2603-5

    62. [62]

      Chen, L. L.; Yang, Z. H.; Huang, Y. G. Nanoscale 2019, 11, 13032. doi: 10.1039/c9nr03129d

    63. [63]

      Zhang, L. S.; Miao, L.; Zhang, B.; Wang, J. S.; Liu, J.; Tan, Q. Y.; Wan, H. Z.; Jiang, J. J. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 1731. doi: 10.1039/c9ta11031c

    64. [64]

      Li, G. L.; Yang, Z.; Jiang, Y.; Jin, C. H.; Huang, W.; Ding, X. L.; Huang, Y. H. Nano Energy 2016, 25, 211. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.04.051

    65. [65]

      Hu, P.; Zhu, T.; Wang, X. P.; Zhou, X. F.; Wei, X. J.; Yao, X. H.; Luo, W.; Shi, C. W.; Owusu, K. A.; Zhou, L.; et al. Nano Energy 2019, 58, 492. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.01.068

    66. [66]

      Li, W.; Wang, K. L.; Cheng, S. J.; Jiang, K. Energy Stor. Mater. 2018, 15, 14. doi: 10.1016/j.ensm.2018.03.003

    67. [67]

      Wan, F.; Zhang, Y.; Zhang, L. L.; Liu, D. B.; Wang, C. D.; Song, L.; Niu, Z. Q.; Chen, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 7062. doi: 10.1002/anie.201902679

    68. [68]

      He, P.; Yan, M. Y.; Zhang, G. B.; Sun, R. M.; Chen, L. N.; An, Q. Y.; Mai, L. Q. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1601920. doi: 10.1002/aenm.201601920

    69. [69]

      Qin, H. G.; Yang, Z. H.; Chen, L. L.; Chen, X.; Wang, L. M. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 23757. doi: 10.1039/c8ta08133f

    70. [70]

      Dai, X.; Wan, F.; Zhang, L. L.; Cao, H. M.; Niu, Z. Q. Energy Stor. Mater. 2019, 17, 143. doi: 10.1016/j.ensm.2018.07.022

    71. [71]

      Wei, T. Y.; Li, Q.; Yang, G. Z.; Wang, C. X. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 8006. doi: 10.1039/c8ta02090f

    72. [72]

      宋维鑫, 侯红帅, 纪效波.物理化学学报, 2017, 33, 103. doi: 10.3866/PKU.WHXB201608303Song, W. X.; Hou, H. S.; Ji, X. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 103. doi: 10.3866/PKU.WHXB201608303

    73. [73]

      Jian, Z. L.; Zhao, L.; Pan, H. L.; Hu, Y. S.; Li, H.; Chen, W.; Chen, L. Q. Electrochem. Commun. 2012, 14, 86. doi: 10.1016/j.elecom.2011.11.009

    74. [74]

      谷振一, 郭晋芝, 杨洋, 赵欣欣, 杨旭, 聂雪娇, 何晓燕, 吴兴隆.无机化学学报, 2019, 35, 1535. doi: 10.11862/CJIC.2019.188Gu, Z. Y.; Guo, J. Z.; Yang, Y.; Zhao, X. X.; Yang, X.; Nie, X. J.; He, X. Y.; Wu, X. L. Chin. J. Inorg. Chem. 2019, 35, 1535. doi: 10.11862/CJIC.2019.188

    75. [75]

      郭晋芝, 万放, 吴兴隆, 张景萍.分子科学学报, 2016, 32, 265. doi: 10.13563/j.cnki.jmolsci.2016.04.001Guo, J. Z.; Wan, F.; Wu, X. L.; Zhang, J. P. J. Mol. Sci. 2016, 32, 265. doi: 10.13563/j.cnki.jmolsci.2016.04.001

    76. [76]

      Hu, P.; Zou, Z. Y.; Sun, X. W.; Wang, D.; Ma, J.; Kong, Q. Y.; Xiao, D. D.; Gu, L.; Zhou, X. H.; Zhao, J. W.; et al. Adv. Mater. 2020, 32, 1907526. doi: 10.1002/adma.201907526

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  101
  • 文章访问数:  2894
  • HTML全文浏览量:  922
文章相关
  • 发布日期:  2021-03-15
  • 收稿日期:  2020-05-06
  • 接受日期:  2020-06-11
  • 修回日期:  2020-05-29
  • 网络出版日期:  2020-06-17
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章