Accelerated ion/electron transport kinetics and increased active sites via local internal electric fields in heterostructured VO2-carbon cloth for enhanced zinc-ion storage

阴极 材料科学 异质结 离子 溶解 密度泛函理论 分析化学(期刊) 化学物理 化学工程 纳米技术 光电子学 化学 物理化学 计算化学 有机化学 工程类 色谱法
作者
Peng Luo,Wenwei Zhang,Wanyue Cai,Zhen Huang,Gangyuan Liu,Chang Liu,Shiyu Wang,Feng Chen,Lixue Xia,Yan Zhao,Shen Dong,Lu Xia
出处
期刊:Nano Research [Springer Nature]
卷期号:16 (1): 503-512 被引量:17
标识
DOI:10.1007/s12274-022-4753-0
摘要

Although the performance of the self-standing electrode has been enhanced for aqueous zinc-ion batteries (AZIBs), it is necessary to explore and analyse the deep modification mechanism (especially interface effects). Herein, density functional theory (DFT) calculations are applied to investigate the high-performance cathode based on the VO2/carbon cloth composites with heterostructures interface (H-VO2@CC). The adsorption energy comparisons and electron structure analyses verify that H-VO2@CC has extra activated sites at the interface, enhanced electrical conductivity, and structural stability for achieving high-performance AZIBs due to the presence of built-in electric field at the interfaces. Accordingly, the designed self-standing H-VO2@CC cathode delivers higher rate capacity, longer-life cyclability, and faster electronic/ion transmission kinetics benefiting from the synergistic effects. The risks of active material shedding and dissolution during the dis/charge process of two cathodes were evaluated via ex-situ ultraviolet—visible (UV-vis) spectrum and inductively coupled plasma-atomic emission spectroscopy (ICP-AES) technique. Finally, this investigation also explores the charge storage mechanism of H-VO2@CC through various ex-situ and in-situ characterization techniques. This finding can shed light on the significant potential of heterostructures interface engineering in practical applications and provide a valuable direction for the development of cathode materials for AZIBs and other metal-ion batteries.
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