Một nhóm do Giáo sư Song Li từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) dẫn đầu đã đề xuất khái niệm về sự chiếm giữ quỹ đạo V t 2g do chất xen kẽ gây ra và phát triển vanadi xen kẽ NH 4 + oxit (NH 4 + -V 2 O 5 ) cho pin kẽm-ion nước (ZIB) hiệu suất cao. Công việc này đã được xuất bản trong PNAS .
ZIB, do tính an toàn, không độc hại và khả năng lý thuyết cao, đã trở thành một trong những công nghệ lưu trữ năng lượng bền vững hứa hẹn nhất. Trong số các vật liệu điện cực khác nhau cho ZIB, oxit vanadi đã được nghiên cứu rộng rãi làm vật liệu cực âm cho ZIB do cấu trúc tinh thể linh hoạt và tính đa hóa trị của vanadi.
Dựa trên chiến lược xen kẽ trước ion hoặc phân tử, các vấn đề về không gian mạng không đủ và độ dẫn điện tử thấp của vật liệu catốt có thể được giải quyết một cách hiệu quả, nhờ đó cải thiện hơn nữa hiệu suất của pin.
Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại về vật liệu catốt xen kẽ chủ yếu tập trung vào việc nâng cao công suất bằng cách mở rộng không gian giữa các lớp. Do đó, điều quan trọng là phát triển các kỹ thuật mô tả đặc tính tại chỗ tiên tiến, hỗ trợ nghiên cứu sự biến đổi cấu trúc bên trong của vật liệu điện cực do chất xen kẽ gây ra từ góc độ quỹ đạo nguyên tử. Điều này sẽ trở thành chìa khóa để thiết kế vật liệu catốt hiệu suất cao trong tương lai.
Trong công trình này, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu nhiều kỹ thuật quang phổ bức xạ synchrotron in-situ và ex-situ, tiết lộ sự thay đổi của V 3dt 2g chiếm quỹ đạo trong V 2 O 5 sau khi xen kẽ NH 4 + , cũng như quy luật tiến hóa thuận nghịch trong quá trình sạc và xả.
Họ phát hiện ra rằng sự xen kẽ NH 4 + phần lớn gây ra sự biến dạng cấu trúc của liên kết VO, điều này tiếp tục dẫn đến sự sắp xếp lại cấu trúc điện tử và tạo điều kiện cho sự chiếm giữ trạng thái trống 3dxy trong quỹ đạo Vt 2g . Việc chiếm quỹ đạo Vt 2g đã cải thiện đáng kể tính dẫn điện của vật liệu.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự xen kẽ NH 4 + dẫn đến khoảng cách giữa các lớp được mở rộng, giúp tăng tốc đáng kể quá trình chuyển điện tử và di chuyển ion Zn, giúp đạt được hiệu suất bội cực cao của pin ion kẽm.
Kết quả thử nghiệm cho thấy công suất riêng của vật liệu catốt vanadi pentoxide (NH 4 + -V 2 O 5 ) xen kẽ amoni vẫn duy trì khả năng tốc độ ở mức 101,0 mA h g-1 ở mật độ dòng điện 200 C, với thời gian sạc là 18 giây
Nghiên cứu này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế lưu trữ Zn 2 + trong vật liệu xen kẽ V 2 O 5 và đặt nền tảng cho việc thiết kế vật liệu catốt xen kẽ hiệu suất cao của ZIB.
