Ultrafast 3D Hybrid‐Ion Transport in Porous V2O5 Cathodes for Superior‐Rate Rechargeable Aqueous Zinc Batteries

材料科学 阴极 电化学 水溶液 插层(化学) 电解质 化学工程 电极 多孔性 无机化学 纳米技术 复合材料 物理化学 化学 工程类
作者
Tianhao Wang,Shengwei Li,Xinger Weng,Lei Gao,Yu Yan,Ning Zhang,Xuanhui Qu,Lifang Jiao,Yongchang Liu
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:13 (18) 被引量:112
标识
DOI:10.1002/aenm.202204358
摘要

Abstract Layered V 2 O 5 is a star cathode material of rechargeable aqueous zinc‐based batteries (RAZBs) owing to the rich redox chemistry of vanadium, which commonly exhibits the 2D ion‐diffusion mechanism through Zn 2+ (de)intercalation at edge sites but is plagued by the inert basal planes. Here, hierarchically porous V 2 O 5 nanosheets vertically grown on carbon cloth (V 2 O 5 /C) are innovatively prepared, where the porous structure with lattice defects successfully unlocks the V 2 O 5 basal plane to provide additional ion‐diffusion channels and abundant active sites. Thus, highly efficient and ultrafast 3D Li + /Zn 2+ co‐insertion/extraction behaviors along both the c ‐axis and ab plane of V 2 O 5 are realized for the first time in the formulated 15 m LiTFSI + 1 m Zn(CF 3 SO 3 ) 2 aqueous electrolyte, as elucidated by systematic ex situ analyses, multiple electrochemical measurements, and theoretical computations. As a result, the porous V 2 O 5 /C electrode delivers an exceptional high‐rate capability (up to 100 A g −1 ) and an ultralong cycling durability (15 000 cycles) in RAZBs. Finally, quasi‐solid‐state wearable rechargeable zinc batteries employing the porous V 2 O 5 /C cathode demonstrate respectable performance even under severe deformations and low temperatures. This work achieves a conceptual breakthrough represented by an upgrading of the traditional 2D ion transportation in layered cathodes to the more facile 3D diffusion for designing high‐performance battery electrochemistry.
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