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Rational Regulation of Optimal Oxygen Vacancy Concentrations on VO2 for Superior Aqueous Zinc-Ion Battery Cathodes

材料科学 阴极 水溶液 电池(电) 吸附 化学工程 离子 氧气 电极 合理设计 热液循环 纳米技术 物理化学 有机化学 热力学 化学 物理 功率(物理) 工程类
作者
Chen Zhang,Zhihai Wu,Ciqing Yang,Xiaoze Guo,Yang‐Xin Yu,Ying Yang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (31): 40903-40913 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsami.4c05618
摘要

VO2 with its special tunnel structure and high theoretical capacity is an ideal candidate for cathode materials for aqueous zinc-ion batteries (ZIBs). However, the slow kinetics and structural instability due to the strong electrostatic interactions between the host structure of VO2 and Zn2+ hinder its application. Defect engineering is a well-recognized strategy for improving the intrinsic ion-electron dynamics and structural stability of this material. However, the preparation of oxygen vacancies poses significant difficulties, and it is challenging to control their concentration effectively. Excessive or insufficient vacancy concentration can have a negative effect on the cathode material. Herein, we propose electrode materials with controlled oxygen vacancies prepared in situ on carbon nanofibers (CNF) by a simple, one-step hydrothermal process (Ov-VO2@CNF). This method can balance the adsorption energy and migration energy barrier easily, and we maximized the adsorption energy of Zn2+ while minimizing the adsorption energy barrier. Notably, the Ov2-VO2@CNF electrode delivered a high specific capacity (over 450 mAh g-1 at 0.1 A g-1) and excellent cycle stability (318 mAh g-1 at 5 A g-1 capacity after 2000 cycles with a capacity retention of 85%). This rational design of precisely regulated defect engineering provides a way to obtain advanced electrode materials with excellent comprehensive properties.
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