近年來(lái)，水系鋅離子電池因其高比容量、安全、環(huán)保、低成本等優(yōu)勢(shì)獲得了快速發(fā)展，未來(lái)有望在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。開(kāi)發(fā)兼具良好倍率性能和足夠循環(huán)壽命的正極材料是水系鋅離子電池商業(yè)化的關(guān)鍵。釩基氧化物具有低成本和高理論容量，被認(rèn)為是理想的水系鋅離子電池正極材料。然而，Zn²⁺在其晶體結(jié)構(gòu)中嵌入/脫出時(shí)，存在固有的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢、不可逆的結(jié)構(gòu)劣化等問(wèn)題，導(dǎo)致電化學(xué)性能衰減，這限制了其進(jìn)一步發(fā)展。

圖1：Zn₃V₃O₈合成及形態(tài)演化示意圖

近日，我校李俊教授和金輝樂(lè)教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳濤教授等人提出了以“富鋅”的釩基化合物Zn₃V₃O₈(ZVO)為前驅(qū)體，通過(guò)原位電化學(xué)誘導(dǎo)脫去多余鋅離子的策略，構(gòu)建了鋅離子和水分子共插層的Zn_0.52V₂O_5-a·1.8H₂O (ZVOH)正極用于高性能的水系鋅離子電池。

(a) ZVO多面體的XRD譜圖和(b)晶體結(jié)構(gòu)示意圖。(c, d, e, f) ZVO的SEM,TEM,HRTEM和SAED譜圖。(g) ZVO的STEM圖和相應(yīng)的元素映射圖。

不同于釩氧化物層間預(yù)插入金屬離子的策略，非原位XRD，Raman，TEM-EDS和ICP結(jié)果顯示，ZVO中本就含有大量Zn²⁺，相變過(guò)程中ZVO中多余的Zn²⁺被脫去轉(zhuǎn)化為Zn²⁺和H₂O分子共插的層狀Zn_0.52V₂O_5-a·1.8H₂O結(jié)構(gòu)。存在于層間的Zn²⁺起到穩(wěn)固釩氧化物結(jié)構(gòu)的支柱作用，提高材料的穩(wěn)定性，水分子的電荷屏蔽作用，有利于Zn²⁺的快速嵌入和脫出。Zn_0.52V₂O_5-a·1.8H₂O作為水系鋅離子電池正極，展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，在20 A g^-1的大電流密度下循環(huán)18000次后容量保持率為95.4%。這種以“富陽(yáng)離子”釩氧化物為前驅(qū)體的原位自轉(zhuǎn)化策略，為解決水系鋅離子電池正極材料結(jié)構(gòu)衰退問(wèn)題提供了一種新思路。

(a)ZVO到ZVOH的相變示意圖及ZVOH電極上的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。Zn//ZVOH電池的電化學(xué)性能：(b)比電流為0.2 ~24A g^-1時(shí)的倍率性能。(c, d) ZVOH在0.2和5A g^-1時(shí)的循環(huán)性能。(e) ZVO在20A g^-1大電流密度下循環(huán)18,000次的長(zhǎng)期循環(huán)性能。

(a) ZVOH的非原位XRD譜圖及0.2A g^-1時(shí)相應(yīng)的充放電曲線(xiàn)(b)Zn-2p和(c)V-2p的非原位XPS譜圖，(d) ZVO在Dis-0.2-2nd、Cha-1.6-2nd和Cha-1.6-20th的HRTEM圖像，(e) ZVO在Dis-0.2-2nd、Cha-1.6-2nd和Cha-1.6-20th的STEM圖像和的Zn、V和O元素映射。

這一成果近期發(fā)表在A(yíng)ngewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生梁文浩和江蘇大學(xué)饒德偉副教授，金輝樂(lè)與李俊教授為該論文共同通訊作者。