近日，北京大学深圳研究生院新材料学院李锐课题组在国际知名期刊ACS Energy Letters （IF 23.991）上发表题为“A Near 0 V and Low-Strain Intercalative Anode for Aqueous Zinc-Ion Batteries”的研究论文（DOI:10.1021/acsenergylett.3c00985），报道了一种新型的锌离子插入型负极材料（Ti2O(PO4)2·2H2O），该材料具有接近0 V的电位和低应变特性；并成功构建了一种高电压、高稳定性的“摇椅式”水系锌离子电池。
水系锌离子电池由于固有的高安全性、低成本和锌负极的高理论容量（820 mAh g-1）而备受关注，是一项有潜力的电化学储能技术。然而，锌负极存在诸如锌枝晶生长、析氢以及复杂的界面副反应等问题，且在实际的应用中常常需要过量设计锌负极以弥补锌的损失，导致锌负极的真实利用率过低。这些问题阻碍了水系锌离子电池的商业化进程。因此，开发一种高容量、低电压的锌离子插入型负极材料来替代金属锌，成为了一种重要的策略。
在此项工作中，李锐课题组首次提出了一种钛基的磷酸盐纳米线材料，这种聚阴离子化合物具有很低的锌离子插入电位，接近0 V （vs. Zn2+/Zn），类似于锂离子电池中的石墨负极。值得注意的是，锌离子在该材料中的嵌入/脱出过程仅导致微小的晶格应变，因此，该材料展现出了优异的循环稳定性，5000次循环后容量几乎没有衰减。通过采用原位XRD、XPS、HRTEM等手段，研究者深入探究了该负极材料的储能机理。
Ti2O(PO4)2·2H2O 纳米线负极的形貌结构特征、电化学性能以及存储锌离子时的结构演化过程
近年来，在水系锌离子电池研究领域，研究者们已经在锌枝晶的调控和优化锌的可逆沉积上做出了大量努力，但锌金属负极在水系电解液中的析氢和界面副反应等问题始终难以得到解决。锌作为一种储量较为丰富且环境友好的元素，如果能够构建为摇椅电池，将为绿色安全的电化学储能开启新的可能性。然而，对于可脱嵌型负极材料以及“摇椅式”锌离子电池的研究仍然相对匮乏。本工作揭示了钛基聚阴离子材料在水系锌负极中的巨大潜力，为嵌入型的水系锌离子电池负极材料以及相应的储能器件设计开辟了新的方向。
该工作由北京大学深圳研究生院新材料院独立完成，论文的通讯作者为李锐副教授，第一作者为博士生邓文君；博士生黄中垣以及硕士生周竹青也在工作中做出了重要贡献。本研究得到了深圳市科技创新委员会基础研究项目的支持。
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https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00985
