Tim predvođen prof. Song Lijem sa Univerziteta nauke i tehnologije Kine (USTC) Kineske akademije nauka (CAS) predložio je koncept okupacije orbite V t 2g izazvane interkalantom i razvio NH 4 + -interkalirani vanadijum oksid (NH 4 + -V 2 O 5 ) za vodene cink-jonske baterije (ZIB) visokih performansi. Ovaj rad je objavljen u PNAS-u.
ZIB-ovi, zbog svoje bezbednosti, netoksičnosti i visokog teoretskog kapaciteta, postali su jedna od najperspektivnijih tehnologija održivog skladištenja energije. Među različitim materijalima elektroda za ZIB, oksidi vanadijuma su široko proučavani kao katodni materijali za ZIB zbog njihove fleksibilne kristalne strukture i multivalentnosti vanadijuma.
Na osnovu strategije jonske ili molekularne pre interkalacije, problemi nedovoljnog prostora rešetke i niske elektronske provodljivosti katodnih materijala mogu se efikasno rešiti, čime se dalje poboljšavaju performanse baterije.
Međutim, trenutna istraživanja interkalacionih katodnih materijala uglavnom se fokusiraju na povećanje kapaciteta širenjem međuslojnog prostora. Stoga je važno razviti napredne tehnike karakterizacije na licu mesta, koje pomažu u proučavanju intrinzične strukturne varijacije elektrodnih materijala izazvanih interkalantima iz perspektive atomskih orbitala. Ovo će postati ključ za dizajn katodnih materijala visokih performansi u budućnost.
U ovom radu, istraživači su uveli različite in situ i ek-situ tehnike spektroskopije sinhrotronskog zračenja, otkrivajući promenu okupacije orbite V 3dt 2g u V 2 O 5 nakon interkalacije NH 4 +, kao i reverzibilni zakon evolucije tokom procesa punjenja i pražnjenja.
Otkrili su da je interkalacija NH 4 + u velikoj meri izazvala strukturno izobličenje VO veze, što je dalje dovelo do preuređivanja elektronske strukture i olakšalo zauzimanje 3dki slobodnog stanja u orbitali Vt 2g. Orbitalna okupacija Vt 2g je značajno poboljšala električnu provodljivost materijala.
Pored toga, istraživači su otkrili da je interkalacija NH 4 + rezultirala proširenim razmakom slojeva, što je značajno ubrzalo prenos elektrona i migraciju Zn-jona, ostvarujući ultra-visoke performanse cink jonske baterije.
Eksperimentalni rezultati su pokazali da specifični kapacitet katodnog materijala od amonijum interkalisanog vanadijum pentoksida (NH 4 + -V 2 O 5 ) ostaje sposobnost brzine na 101,0 mA h g-1 pri gustini struje od 200 C, sa vremenom punjenja od 18 s.
Ova studija pruža bolje razumevanje mehanizma skladištenja Zn 2 + u interkaliranim V 2 O 5 materijalima i postavlja osnovu za projektovanje visokoučinkovitih interkaliranih katodnih materijala ZIB-a.
