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Manipulating Oxygen Vacancies to Spur Ion Kinetics in V2O5 Structures for Superior Aqueous Zinc‐Ion Batteries

材料科学 电子顺磁共振 水溶液 氧气 电化学 空位缺陷 密度泛函理论 离子 插层(化学) 扩散 结晶学 无机化学 物理化学 电极 核磁共振 计算化学 热力学 化学 冶金 物理 有机化学
作者
Jiajia Ye,Pei‐Hua Li,Haoran Zhang,Zong‐Yin Song,Tianju Fan,Wanqun Zhang,Jie Tian,Tao Huang,Yitai Qian,Zhiguo Hou,Netanel Shpigel,Lifeng Chen,Shi Xue Dou
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (46) 被引量:105
标识
DOI:10.1002/adfm.202305659
摘要

Abstract Vanadium‐based intercalation materials have attracted considerable attention for aqueous zinc‐ion batteries (ZIBs). However, the sluggish interlaminar diffusion of zinc ions due to the strong electrostatic interaction, severely restricts their practical application. Herein, oxygen vacancy‐enriched V 2 O 5 structures (Zn 0.125 V 2 O 5 ·0.95H 2 O nanoflowers, O v ‐ZVO) with expanded interlamellar space and excellent structural stability are prepared for superior ZIBs. In situ electron paramagnetic resonance (EPR) and X‐ray diffraction (XRD) characterization revealed that numerous oxygen vacancies are generated at a relatively low reaction temperature because of partially escaped lattice water. In situ spectroscopy and density functional theory (DFT) calculations unraveled that the existence of oxygen vacancies lowered Zn 2+ diffusion barriers in O v ‐ZVO and weakened the interaction between Zn and O atoms, thus contributing to excellent electrochemical performance. The Zn||O v ‐ZVO battery displayed a remarkable capacity of 402 mAh g −1 at 0.1 A g −1 and impressive energy output of 193 Wh kg −1 at 2673 W kg −1 . As a proof of concept, the Zn||O v ‐ZVO pouch cell can reach a high capacity of 350 mAh g −1 at 0.5 A g −1 , demonstrating its enormous potential for practical application. This study provides fundamental insights into formation of oxygen‐vacant nanostructures and generated oxygen vacancies improving electrochemical performance, directing new pathways toward defect‐functionalized advanced materials.
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