Understanding the Dissolution and Phase Transformation Mechanisms in Aqueous Zn/α-V2O5 Batteries

水溶液 阴极 溶解 插层(化学) 材料科学 无水的 相(物质) 电池(电) 化学工程 过渡金属 无机化学 化学 物理化学 催化作用 热力学 有机化学 工程类 功率(物理) 物理
作者
Kaiyue Zhu,Tao Wu,Kevin Huang
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:33 (11): 4089-4098 被引量:178
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.1c00715
摘要

Anhydrous α-V2O5 was the first class of cathodes studied for rechargeable aqueous zinc-ion batteries (AZIBs), mainly due to its layered structure and high theoretical capacity. However, the poor cycle life of Zn/α-V2O5 prevents it from being used as a practical cathode. A critical need for the advancement of high-capacity aqueous Zn/α-V2O5 batteries is a better understanding of the degradation mechanisms in an α-V2O5 cathode. Through a combined experimental and theoretical approach, we here report that the stability of an α-V2O5 cathode in aqueous Zn/α-V2O5 batteries is fundamentally controlled by its dissolution mechanisms in water and concurrent phase transition to a hydrated V2O5·1.75H2O (H-V2O5) xerogel. We show that α-V2O5 partially dissolves as [V10O26(OH)2]4– into aqueous ZnSO4 but precipitates out as Zn3(OH)2V2O7·2H2O in aqueous Zn(CF3SO3)2, while its majority is transformed into H-V2O5. We provide evidence that H-V2O5 is the active material for the storage of Zn2+/H+ due to its favorable gallery spacing for intercalation chemistry. Overall, presented experimental evidence and gained fundamental insights by this study contribute to the advancement of high-capacity aqueous Zn/α-V2O5 batteries.
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