High-mass loading V3O7·H2O nanoarray for Zn-ion battery: New synthesis and two-stage ion intercalation chemistry

插层(化学) 材料科学 阴极 电池(电) 电化学 离子 化学工程 电极 无机化学 纳米技术 冶金 热力学 物理化学 化学 工程类 功率(物理) 有机化学 物理
作者
Duo Chen,Mengjie Lu,Boran Wang,Hongfei Cheng,Hang Yang,Dong Cai,Wei Han,Hong Jin Fan
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:83: 105835-105835 被引量:110
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2021.105835
摘要

Vanadium-based materials are promising cathode materials for aqueous rechargeable zinc-ion batteries (ZIBs). However, up to now, the detailed Zn ion intercalation mechanisms are still not fully clear. In this work, we first show a new facile synthesis approach for V3O7·H2O nanoarray cathode with large mass loadings (1.0–12 mg cm−2). An empirical model is proposed to assess the utilization ratio of active materials under different mass loadings. Then, through the combination of first-principles calculations and a series of ex-situ characterizations, we identify for the first time a two-step Zn2+ intercalation mechanism in V3O7·H2O. The stepwise and reversible intercalation process is manifested by different diffusion energy barriers and segmented electrochemical kinetics in various discharge depths. The nanoarray binder-free electrode is also applied in pouch cells which show high capacities than state-of-the-art ZIB pouch cells. This study may provide an elucidation for the disputed Zn2+ intercalation chemistry of vanadium-based cathodes in ZIBs as well as a guidance to the design of high-mass-loading battery materials.
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