Hydrated Calcium Vanadate Nanoribbons with a Stable Structure and Fast Ion Diffusion as a Cathode for Quasi-Solid-State Zinc-Ion Batteries

材料科学 钒酸盐 离子 阴极 扩散 固态 无机化学 工程物理 冶金 物理化学 化学 物理 量子力学 工程类 热力学
作者
Penghua Liang,Kongjun Zhu,Yu Rao,Zhihan Kong,Jiatao Chen,Hongjuan Zheng,Jinsong Liu,Kang Yan,Jing Wang,Kaiyang Zeng
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c03309
摘要

We demonstrated the use of hydrated calcium vanadate (CaV6O16·3H2O, denoted as CaVO-2) as a cathode for aqueous zinc-ion batteries (AZIBs). Nanoribbons of hydrated calcium vanadate facilitated shortening of the Zn2+ transport distance and accelerated zinc-ion insertion. The introduction of interlayer structure water increased the interlayer spacing of calcium vanadate and as a "lubricant". Ca2+ insertion also expanded the interlayer spacing and further stabilized the interlayer structure of vanadium-based oxide. The density functional theory results showed that the introduction of Ca2+ and structured water could effectively improve the diffusion kinetics, resulting in the rapid transport of zinc ions. As a result, AZIBs based on the CaVO-2 cathode offered high specific capacity (329.6 mAh g–1 at 200 mA g–1) and fast charge/discharge capability (147 mAh g–1 at 10 A g–1). Impressively, quasi-solid-state zinc-ion batteries based on the CaVO-2 cathode and polyacrylamide–cellulose nanofiber hydrogel electrolytes maintained an outstanding specific capacity and long cycle life (162 mAh g–1 over 10 000 cycles at 5 A g–1). This study provided a reliable strategy for metal-ion insertion and the structural water introduction of oxides to produce a high-quality cathode for ZIBs. Meanwhile, it provides ideas for the combination of vanadium-based materials and gel electrolytes to construct solid-state zinc-ion batteries.
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