隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境惡化和化石燃料儲(chǔ)量減少等問題，人們對清潔可再生能源的需求日益迫切。面對這種困境，利用如太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能和地?zé)崮艿刃履茉葱问绞怯行У耐緩?。但是這些新能源形式很難直接儲(chǔ)存和運(yùn)輸，高度的間歇性更制約了其進(jìn)一步發(fā)展。能源儲(chǔ)存系統(tǒng)(ESSs)的發(fā)展為個(gè)人、家庭和工業(yè)應(yīng)用提供更穩(wěn)定的能源供應(yīng)，為此人們已進(jìn)行了廣泛的研究。在目前所有的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)中，電池扮演著重要的角色，已經(jīng)成為便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車甚至是電網(wǎng)不可缺少的一部分。其中，鋰離子電池(LIBs)由于具有較高的能量密度被廣泛應(yīng)用。但由于有限的鋰資源、組裝條件要求苛刻，使得商用鋰離子電池成本進(jìn)一步上升。

此外，易燃有毒的有機(jī)電解液和高活性鋰也極大地阻礙了鋰離子電池的進(jìn)一步應(yīng)用。鋅離子電池(ZIBs)成本較低、安全性較高、體積能量密度較高，因此在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域引起了廣泛的研究。盡管由于多價(jià)離子的轉(zhuǎn)移，水系鋅離子電池可以實(shí)現(xiàn)更高的氧化還原比容量和能量密度，鋅離子電池電極材料也存在很多問題，其中包括金屬負(fù)極不可逆枝晶和正極材料電化學(xué)性能差等。金屬負(fù)極在剝離和鍍覆過程中會(huì)發(fā)生電場集中和氧化，從而制約全電池的電化學(xué)性能。使用具有大層間距的錳基、釩基過渡金屬氧化物作為水系鋅離子電池正極材料是非常常見的。通過在合成過程中的離子預(yù)插來實(shí)現(xiàn)對材料的活化，打破了固有晶體結(jié)構(gòu)的限制，從而獲得兼具高容量與高倍率的電極材料。

電解液中離子種類對于電池電極的性能有重大影響，預(yù)插離子釩基化合物的種類與電解液之間的關(guān)系還尚未有人探究。傳統(tǒng)的過渡金屬氧化物一直受到電子/離子電導(dǎo)率差的制約，難以滿足實(shí)際應(yīng)用。傳統(tǒng)的涂布方法也不可避免的增加了活性物質(zhì)和集流體之間的內(nèi)阻，因此，電沉積法構(gòu)建集成一體化電極是提升電極的接觸面積和材料利用率的有效方法。通過使用這些方法，能夠有效的提高水系鋅離子電池電極的性能，實(shí)現(xiàn)水系鋅離子電池的各項(xiàng)性能。

本篇論文圍繞以下幾個(gè)方面展開:

1.層片狀鋅鋁共晶合金作為水系鋅離子電池可逆無枝晶負(fù)極金屬鋅負(fù)極具有理論容量高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是一種極具吸引力的水性鋅離子電池負(fù)極材料。然而，現(xiàn)有的鋅負(fù)極在剝離/電鍍過程中存在庫侖效率低、枝晶生長嚴(yán)重等問題，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。通過使用鋅和鋁納米片層交替排列的Zn_(88)Al_(12)共晶合金能夠有效解決鋅金屬負(fù)極在剝離/電鍍過程中枝晶和裂紋生長引起的不可逆性問題。共生的金屬鋁片層不僅能夠保護(hù)鋅片層抑制其形成不可逆的副產(chǎn)物，而且在鋅剝離過程中原位形成穩(wěn)定的Al/Al_2O_3核殼結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引導(dǎo)鋅的后續(xù)生長。共晶Zn_(88)Al_(12)(at%)合金在不含氧氣的Zn SO_4水溶液中具有優(yōu)異的脫鋅/鍍鋅性能，具有較低的過電位和較高的庫倫效率。將K_xMn O_2正極和共晶層狀Zn_(88)Al_(12)合金負(fù)極組裝，構(gòu)筑的水性鋅錳氧化物水系鋅離子全電池可以實(shí)現(xiàn)在高功率下提供230 Wh kg~(-1)(基于K_xMn O_2正極的質(zhì)量)的能量密度，在超過200小時(shí)循環(huán)后仍然保持100%的容量。如果調(diào)整正負(fù)極質(zhì)量比為3:1，全電池的總能量密度則會(huì)高達(dá)142 Wh kg~(-1)。共晶成分合金化策略為開發(fā)下一代二次電池的高性能負(fù)極提供了一條新的途徑。

2.基于高陽離子相容釩氧化物微電極的超高能量密度大功率水系鋅離子可充電微電池水溶液鋅離子電池作為鋰離子電池的替代品，具有廣闊的發(fā)展前景。微機(jī)電系統(tǒng)可以應(yīng)用于小型電子產(chǎn)品中，引起了人們廣泛的關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的水溶液鋅離子電池使用過量的鋅作為負(fù)極，極易發(fā)生枝晶和氧化，導(dǎo)致電池失效。預(yù)插層氧化釩除了具有高理論容量的優(yōu)點(diǎn)外，還具有高導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性，提供更多的離子擴(kuò)散途徑和活性位點(diǎn)。我們開發(fā)了基于具有交叉指狀的納米多孔金微電極和雙極性活性材料Zn_xV_2O_5的高性能水系鋅離子微電池。利用預(yù)插層水合Zn~(2+)作為分子柱支撐大間距的V_2O_5層間距，組分Zn_xV_2O_5與水合Zn~(2+)客體具有很高的相容性，這大大提高了它們的插層/脫層動(dòng)力學(xué)。與雙電子氧化還原反應(yīng)相結(jié)合，使水系鋅離子微電池具有很高的容量和效率。納米多孔電極結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)快速電子轉(zhuǎn)移和離子傳輸，因此，Zn_xV_2O_5在1M Zn SO_4電解液中的比容量高達(dá)527 m Ah g~(-1)(約為最大理論值的90%)?；陔娀钚圆牧蟌n_xV_2O_5的充分利用，交叉指狀納米多孔Zn_xV_2O_5/Au交叉指狀微電極構(gòu)成的水性可充電鋅離子微電池在高功率傳輸時(shí)表現(xiàn)出358 m Wh cm~(-3)的能量密度(該值與Sony CR1620相當(dāng)，是Li薄膜電池能量密度的40倍以上)。

3.晶型調(diào)控的Zn_xV_2O_5自支撐電極用于柔性水系鋅離子電池的正極材料傳統(tǒng)的過渡金屬氧化物能夠提高更多的容量同時(shí)獲得穩(wěn)定的Zn離子擴(kuò)散通道。錳基、釩基材料做為水系鋅離子電池的正極材料一直受到低電導(dǎo)率和低離子電導(dǎo)率的限制，在實(shí)際應(yīng)用中這些材料遠(yuǎn)達(dá)不到應(yīng)用要求。為此，我們設(shè)計(jì)了一種通過油浴攪拌法制備的自支撐CFP/Zn_xV_2O_5柔性電極，用于水系鋅離子電池正極。我們針對過渡金屬氧化物具有有限的電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率的問題。在制備過程中，結(jié)合離子預(yù)插法將水分子和Zn~(2+)進(jìn)入層狀氧化釩結(jié)構(gòu)之中，有效增強(qiáng)離子的輸運(yùn)能力。除此之外，我們還結(jié)合熱處理晶型調(diào)控策略，保證活性材料具有部分周期晶格用于能量存儲(chǔ)，另一部分非晶結(jié)構(gòu)用于離子輸運(yùn)。構(gòu)筑的水系鋅離子電池在50 mAg~(-1)電流密度下具有365mAh g~(-1)的比容量，在5 Ag~(-1)的電流密度下，循環(huán)1000圈，容量保持率為80.5%。優(yōu)秀的電化學(xué)性能使自支撐CFP/Zn_xV_2O_5柔性電極作為新型水系鋅離子電池正極具有廣闊的前景。