引言
多離子水系電池作為新一代電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備，具有安全、廉價(jià)的特點(diǎn)。然而，目前僅有少數(shù)電極材料可實(shí)現(xiàn)多種陽離子存儲(chǔ)（如MXene、MoS2等）。且這些材料通常僅能作為水系電池的負(fù)極。因此，為制備高性能的水系電池，高性能的多離子存儲(chǔ)正極材料至關(guān)重要。 02 成果展示 層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)（結(jié)構(gòu)通式為[M2+1-xM3+x(OH)2]x+(An-)x/n?yH2O）是由帶正電荷的類水滑石宿主層及帶負(fù)電的層間陰離子組成。前期北京化工大學(xué)邵明飛教授團(tuán)隊(duì)利用一種電化學(xué)方法活化，使LDHs中的部分H脫除，產(chǎn)生氫空位，在寬電勢窗口（0-1.0 V vs SCE）內(nèi)實(shí)現(xiàn)金屬離子的儲(chǔ)存(Chem 2018, 4, 2168–2179) 。近期該團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上通過設(shè)計(jì)多級(jí)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行電化學(xué)活化處理，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了多離子儲(chǔ)存電極容量的顯著提升?；罨蟮腃oNi-LDH（ECA-CoNi-LDH）納米片陣列在Li+、Na+、Zn2+、Mg2+、Ca2+溶液的容量分別為414、393、434、420、324 mAh g?1，是未活化電極的9倍以上，無多級(jí)結(jié)構(gòu)電極3倍以上。所組裝的全電池提供可在2 V的電壓范圍內(nèi)提供184.4 Wh kg?1的高能量密度。 該論文以“Hierarchical CoNi-LDH nanosheet array with hydrogen vacancy for high-performance aqueous battery cathode”為題發(fā)表在期刊Journal of Energy Chemistry上，北京化工大學(xué)靳博文博士為共同通訊作者，博士生喬望為第一作者。 03 圖文導(dǎo)讀 通過電化學(xué)活化制備具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的ECA-CoNi-LDH納米片陣列。SEM顯示ECA-CoNi-LDH保持了ZIF-67的初級(jí)納米片結(jié)構(gòu)，還衍生出次級(jí)LDH納米片陣列，這種結(jié)構(gòu)增加了材料的活性位點(diǎn)，有利于離子儲(chǔ)存能力的提升。本文隨后用Raman、FTIR、XRD和XPS探究活化過程材料的成分、晶體結(jié)構(gòu)變化?；罨幚硎箤影迳螩o-OH中的H脫除，并伴隨Co2+的氧化以及LDH層間陰離子的脫出，產(chǎn)生大量氫空位，同時(shí)保持LDH二維的層狀結(jié)構(gòu)，有利于金屬離子的嵌入脫出。 圖1 ECA-CoNi-LDH的制備過程的示意圖(a)；SEM圖(b)。活化過程的Raman(c)；FTIR(d)；XRD(e)；XPS Co譜(f)；XPS Ni譜(g)；XPS O譜(h)。 樣品隨電化學(xué)活化電壓升高，離子嵌入能力大幅提高，嵌入傳質(zhì)電阻有所下降。其中ECA-CoNi-LDH (0.8 V)在Li+溶液的比容量高達(dá)414 mAh g?1。且在Na+、Mg2+、Zn2+、Ca2+溶液也展現(xiàn)出較高的比容量，并且展現(xiàn)出良好的倍率性能。在不同陽離子溶液中的容量幾乎都是未活化樣品的9倍以上。 圖2 不同ECA活化電壓的CV (a)；GCD (b)；電流的容量圖曲線 (c)；(d) ECA-CoNi-LDH (0.8 V)不同電流密度的GCD圖；(e) 不同ECA活化電壓的EIS圖。 圖3 (a) CoNi-LDH、ECA-CoNi-LDH在不同陽離子溶液的CV曲線 (b) ECA-CoNi-LDH在Na+的CV曲線；(c) ECA-CoNi-LDH電容控制占總?cè)萘勘壤?；CoNi-LDH、ECA-CoNi-LDH在不同陽離子溶液的GCD曲線 (d)；容量 (e)；(f) ECA-CoNi-LDH在Na+的GCD曲線；(g) CoNi-LDH、ECA-CoNi-LDH在不同溶液的容量圖。 由于ECA-CoNi-LDH大量氫空位的存在，LDH可在0?1 V vs Ag/AgCl電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)。將其與Fe2O3/C負(fù)極匹配制備出的水系全電池可在0?2 V工作，超過目前所有報(bào)道的LDH電池或超級(jí)電容器。并且該水系電池的高容量和高工作電壓使其具有高的能量密度和功率密度。在4 Wh kg?1的能量密度高達(dá)184.4 Wh kg?1，這可以與目前商業(yè)的鋰離子電池媲美。同時(shí)該電池在10000次循環(huán)后容量不衰減。 圖4 (a) ECA-CoNi-LDH、Fe2O3/C的CV曲線；ECA-CoNi-LDH組裝的全電池在不同電壓范圍的CV曲線(b)；GCD曲線(c)；電容與電流密度圖(d)；Ragone圖(e)；循環(huán)穩(wěn)定性(f)。 04 小結(jié) 該工作通過電化學(xué)活化多級(jí)CoNi-LDH納米片陣列。可在Li+、Na+、Zn2+、Mg2+、Ca2+溶液中實(shí)現(xiàn)離子儲(chǔ)存。在電壓范圍0?1 V內(nèi)的容量分別為414、393、434、420、324 mAh g?1，是未活化樣品的9倍以上，無多級(jí)結(jié)構(gòu)的3倍以上。通過與Fe2O3/C負(fù)極耦合，組裝的水系電池在0–2 V的高壓范圍內(nèi)可提供184.4 Wh kg?1的高能量密度，并保持10000次循環(huán)不衰減。這項(xiàng)工作也為后續(xù)開發(fā)大容量高能量密度的多離子水系電池提供了新思路。 文章信息 Hierarchical CoNi-LDH nanosheet array with hydrogen vacancy for high-performance aqueous battery cathode Wang Qiao, Bowen Jin*, Wenfu Xie, Mingfei Shao*, Min Wei Journal of Energy Chemistry DOI:10.1016/j.jechem.2021.09.012 作者信息 邵明飛，北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院/化工資源有效利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授，博士生導(dǎo)師，國家優(yōu)秀青年基金獲得者，人選北京化工大學(xué)優(yōu)秀青年百人計(jì)劃A類，國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目課題負(fù)責(zé)人。《中國科學(xué)：化學(xué)》、《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》等雜志青年編委。以第一或通訊作者在J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem、J. Energy Chem.、《中國科學(xué)：化學(xué)》等發(fā)表SCI論文80余篇；13篇論文入選ESI高被引TOP 1%論文；論文被引7500余次，H因子為43；入選RSC TOP 1%中國高被引作者。
