利用PEDOT:PSS对氧化钒进行光电化学动力学改性，以用于光充电锌离子电池

《Materials Today Physics》：Photoelectrochemical kinetic modification of vanadium oxide using PEDOT:PSS for photo-rechargeable zinc-ion batteries

光电化学锌离子电池中PEDOT:PSS涂层有效抑制V2O5光腐蚀并降低锌离子传输能垒，实现98%容量提升和82%循环稳定性（300次）。

　　

李玲|唐浩浩|王伟月|王启轩|张立国|史兴强|朱倩程

新能源光电器件国家与地方联合工程实验室，河北大学物理科学与技术学院，保定071002，中国

摘要

一种仅使用两个电极的集成能量转换和存储装置在直接将太阳能转化为化学能方面具有巨大潜力。然而，该装置仍受到光电极中载流子复合、离子传输动态的滞后以及较差的循环光稳定性的限制。本研究设计了一种涂有PEDOT:PSS的V₂O₅（V₂O₅@PTS）作为光可充电水锌离子电池（PAZIBs）的光电极。研究表明，PTS作为一种良好的电子和空穴传输介质，显著增强了光电化学反应动力学，包括高载流子分离效率和低锌离子传输能量障碍，从而提高了电流密度耐受性，并在光照条件下显著增加了电池容量。此外，PTS涂层还保护了V₂O₅免受光腐蚀和溶解，从而获得了良好的循环稳定性。基于这些优点，基于V₂O₅@PTS的PAZIBs在2 A g^-1的电流密度下容量几乎翻倍（容量提高了98%），并且在1 A g^-1

引言

将太阳能电池与电池集成在一起的能量转换和存储系统在从大型太阳能电站到各种电子产品的应用中具有广泛的应用[1]、[2]、[3]。然而，这种双设备系统体积庞大且缺乏灵活性，特别不适合分布式能源应用，如智能消费电子产品等。此外，太阳能电池与电池之间的电流或电压不匹配，以及通过外部导体造成的能量损失也会降低系统的整体能源使用效率[4]、[5]。因此，一个有前景的解决方案是设计一种能够在单一设备内实现直接太阳能存储的双电极系统[6]、[7]。最近，光可充电水锌离子电池（PAZIBs）作为一种创新且安全的储能系统，通过结合光电转换和化学储能，为高效太阳能转换和存储提供了新途径[8]、[9]、[10]、[11]。该系统由光电极和锌负极组成，利用光电极在光照下产生电子和空穴参与电化学反应，从而实现太阳能的集成转换和存储[12]、[13]。

迄今为止，已经有多种材料被报道作为光电极材料，包括钒氧化物[14]、[15]、过渡金属硫化物（MoS₂）[16]、有机材料（NT-COF）[17]等。其中，基于钒的氧化物因其多重氧化能力和高容量而受到广泛研究。例如，使用二氧化钒纳米棒和石墨烯作为负极材料的PAZIBs在0.2 A g^{-1-12+离子的不良传输动力学、钒氧化物的光腐蚀和溶解严重限制了它们的容量增长率和循环光稳定性。因此，在光照条件下获得高光电转换效率和循环稳定性仍然是一个挑战。}

本文报道了一种使用涂有PEDOT:PSS（V₂O₅@PTS）的V₂O₅纳米线的PAZIBs负极。图1展示了PAZIBs的工作原理。首先，V₂O₅光电极在光照下激发产生电子和空穴。在充电过程中，光电子通过外部电路传递到锌负极，还原Zn²⁺；相应的空穴促进V⁴⁺氧化为V⁵⁺并释放锌离子。在放电过程中，V₂O₅光电极产生的光电子促进V⁵⁺还原为V⁴⁺并插入锌离子，同时空穴中和来自锌负极的电子，帮助锌负极氧化为Zn²⁺离子。将V₂O₅与PTS结合后，PTS作为良好的电子和空穴传输介质，通过PEDOT主链的共轭π-π键实现快速载流子传输，并通过-PSO₃^-基团与Zn²⁺离子之间的静电相互作用降低锌离子的迁移能量障碍。这有效地抑制了光生载流子的复合，促进了锌离子的传输动力学。此外，带隙变窄（导带从0.25 eV变为0.04 eV，价带从2.39 eV变为2.02 eV（相对于NHE），扩大了V₂O₅的可见光吸收范围。PTS涂层不仅减少了光腐蚀的可能性，还自然抑制了V₂O₅的溶解，从而在光照条件下获得了比以往报道更优异的循环稳定性。得益于这种光电化学反应动力学调控策略，基于V₂O₅@PTS光电极的PAZIBs在2 A g^-1-1

材料

将3克V₂O₅粉末与100毫升2 M的NaCl水溶液混合，在室温下以300转/分钟的速度搅拌72小时。这一操作使V₂O₅溶解并重新结晶，形成了纳米纤维[14]。收集到的棕色悬浮液用去离子水和乙醇洗涤三次，最终在80°C的真空烤箱中干燥12小时，得到V₂O₅纳米线。加入2 M NaCl溶液的目的是为了调控成核和生长动力学

V₂O₅@PTS的特性和光学吸附性能

V₂O₅纳米线是通过将商用钒氧化物与2 M NaCl水溶液简单处理制备的，显示出适合大规模生产的潜力。V₂O₅和V₂O₅@PTS的制备过程在支持信息中的实验部分有详细描述。纯V₂O₅在SEM图像中显示出纳米线形态（见支持信息中的图S1），而涂覆PTS后形态仍然保持良好（见支持信息中的图S2），表明

结论

总结来说，我们合理设计了V₂O₅@PTS作为PAZIBs的高性能光电极。PTS涂层具有导电的π-π共轭键和独特的(-SO₃)基团，不仅促进了电子和空穴的高效分离，还降低了锌离子传输的能量障碍，从而增强了V₂O₅负极的整体光电化学反应动力学。V₂O₅@PTS的更窄带隙扩展了光的吸收范围。此外，PTS

CRediT作者贡献声明

李玲：撰写——原始草案、软件、方法论、研究、概念化。唐浩浩：软件、方法论、研究。史兴强：资源、项目管理。朱倩程：撰写——审稿与编辑、资源、项目管理、方法论、资金获取、概念化。王伟月：可视化、软件、方法论。王启轩：软件、方法论、形式分析。张立国：监督、软件、方法论

未引用的参考文献

[24], [29]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52402244）、河北省教育厅青年人才项目（编号BJ2025045）和河北省自然科学基金（青年科学家基金B，编号E2025201022）的支持