中國科學技術(shù)大學宋禮教授團隊最近發(fā)表了一項具有重大意義的研究成果。他們基于插層型鋅離子電池正極材料的同步輻射譜學表征，提出了插層劑誘導軌道占據(jù)的概念，并成功開發(fā)出了具有快速充電性能的銨根插層五氧化二釩鋅離子電池正極材料。
據(jù)介紹，釩酸鹽復合物是一種重要的鋰離子電池正極材料，但其電化學性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系一直未被充分理解。宋禮教授團隊針對這一問題，運用同步輻射技術(shù)，研究插入釩酸鹽層間的插層劑對電極材料性能的影響。
在探究過程中，團隊發(fā)現(xiàn)插層劑對軌道占據(jù)產(chǎn)生了顯著的影響。通過對錳酸鹽和釩酸鹽材料的研究，他們成功提出了一種新的軌道占據(jù)模型，快速構(gòu)筑出銨根插層五氧化二釩鋅離子電池正極材料，并成功驗證了其快速充電性能。
該研究成果近日發(fā)表于國際學術(shù)期刊《美國科學院院刊》上，引起了廣泛的關(guān)注。這一成果不僅為揭示釩酸鹽復合物與插層劑性能之間的關(guān)系提供了一種新的理解，同時為插層型離子電池正極材料的設(shè)計和制備提供了全新的思路。
科研人員發(fā)揮同步輻射光源綜合性實驗平臺的優(yōu)勢，結(jié)合多種原位與非原位同步輻射譜學實驗技術(shù)，深入揭示了銨根離子插層，以及充放電過程中的可逆演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，銨根離子插層在很大程度上誘發(fā)了釩—氧鍵的結(jié)構(gòu)畸變，進一步導致電子結(jié)構(gòu)的重排，促使軌道中空態(tài)的占據(jù)。這種軌道占據(jù)極大地提高了材料的電導率，聯(lián)合銨根離子插層后拓寬的層間距，從而顯著加速了鋅離子的轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了鋅離子電池的超高倍率性能。測試結(jié)果表明，在電流密度為200倍率時，銨根插層五氧化二釩正極材料的比容量仍維持在101.0毫安時每克，且充電時間僅需18秒。
該項成果的發(fā)現(xiàn)對于快速儲能設(shè)備的研發(fā)來說至關(guān)重要。目前，鋰離子電池等儲能設(shè)備通常存在充電時間長、壽命短等問題。隨著人們生活水平的不斷提高，對于快速充電設(shè)備的需求也越來越迫切。此項新研究的成果將為快速充電設(shè)備的研發(fā)提供更加可靠的技術(shù)支持，為未來的科技發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。
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