隨著對(duì)能源需求的增加，鋰離子電池（LIBs）因其高能量密度和良好循環(huán)穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用，但鋰資源有限及安全問題限制了其發(fā)展。因此，鈉離子電池（SIBs）、鉀離子電池（KIBs）和鋅離子電池（ZIBs）成為新一代能源存儲(chǔ)的有力競(jìng)爭(zhēng)者，尤其是水系ZIBs，因其低氧化還原電位、超高理論容量和低成本等優(yōu)點(diǎn)展現(xiàn)出巨大潛力。盡管釩氧化物因其高可逆容量和優(yōu)異倍率性能受到關(guān)注，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨低電導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題。為此，研究者們探索了多種策略，如設(shè)計(jì)納米材料和構(gòu)建復(fù)合材料，以提高釩氧化物的電化學(xué)性能。閃蒸焦耳加熱（FJH）技術(shù)以其超高溫度和快速加熱速率，簡(jiǎn)化了材料合成過程，顯示出在制備高性能釩氧化物復(fù)合正極材料方面的巨大潛力。

　　文章簡(jiǎn)介

　　2024年9月18日，蘇州大學(xué)孫旭輝教授、江蘇大學(xué)鄧久軍研究員等人在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上發(fā)表了題為“Flash Joule Heating Synthesis of Layer-Stacked Vanadium Oxide/Graphene Hybrids within Seconds for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”的論文。本研究成功開發(fā)了一種快速、低成本的合成策略，制備出用于水系鋅離子電池（ZIBs）的高性能釩氧化物基復(fù)合正極材料。研究團(tuán)隊(duì)采用商業(yè)化的V2O5粉末，通過閃蒸焦耳加熱技術(shù)，在短短2.5秒內(nèi)制備出層狀堆疊的VO2/V2O5和類石墨烯碳納米片的復(fù)合材料。這種復(fù)合材料作為ZIBs正極時(shí)，展現(xiàn)出了優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括在0.2 A g–1的電流密度下可達(dá)到459 mA h g–1的比容量，以及在1.0 A g–1的電流密度下經(jīng)過2500次循環(huán)后容量保持率為355.5 mA h g–1，甚至在10 A g–1的高電流密度下經(jīng)過10000次循環(huán)后，容量仍能維持在169.5 mA h g–1。進(jìn)一步的電化學(xué)分析表明，這種卓越的性能得益于層狀VO2/V2O5異質(zhì)結(jié)構(gòu)中豐富的活性位點(diǎn)和內(nèi)置電場(chǎng)，以及類石墨烯碳納米片的優(yōu)異導(dǎo)電性，這些都加速了電荷轉(zhuǎn)移并減輕了結(jié)構(gòu)退化。此項(xiàng)工作為高效ZIBs的發(fā)展提供了一種獨(dú)特的超快速、低成本制造高性能釩氧化物基復(fù)合正極材料的方法。

　　圖文導(dǎo)讀

　　在本研究中，研究人員通過閃蒸焦耳加熱（FJH）技術(shù)，成功地在2.5秒內(nèi)制備了一種復(fù)合正極材料，該材料由層狀VO2/V2O5微結(jié)構(gòu)和類石墨烯碳納米片組成（標(biāo)記為VOG）。這種材料在水系鋅離子電池（ZIBs）中展現(xiàn)出卓越的電化學(xué)性能。

　　圖1展示了VOG復(fù)合正極材料的制備過程。通過在導(dǎo)電石墨紙基底上施加電流脈沖，快速產(chǎn)生高溫，使商業(yè)V2O5粉末熔化、聚集并還原成層狀VO2/V2O5微結(jié)構(gòu)。同時(shí)，V2O5粉末的熔化還從石墨紙基底上剝離出類石墨烯碳納米片，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。

　　圖2通過掃描電子顯微鏡（SEM）圖像、能量色散光譜（EDS）映射和透射電子顯微鏡（TEM）圖像，揭示了VOG復(fù)合材料中層狀VO2/V2O5和類石墨烯碳納米片的存在。低倍率TEM圖像顯示了VO2/V2O5和類石墨烯碳納米片的層狀結(jié)構(gòu)，而高倍率HRTEM圖像進(jìn)一步展示了多層碳片的層間距為0.36納米，與文獻(xiàn)中石墨烯的層間距一致。

　　圖3通過X射線光電子能譜（XPS）和X射線吸收光譜（XAS）分析，進(jìn)一步確認(rèn)了VOG復(fù)合材料中釩氧化物和類石墨烯碳納米片的共存，以及它們之間的強(qiáng)相互作用，這有利于界面電荷轉(zhuǎn)移。

　　圖4展示了VOG正極材料的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，包括循環(huán)伏安（CV）曲線、恒流充放電（GCD）曲線和循環(huán)性能。這些結(jié)果表明，VOG復(fù)合材料在ZIBs中具有優(yōu)異的電化學(xué)活性和穩(wěn)定性。

　　圖5通過不同掃描速率下的CV測(cè)試，揭示了VOG正極的電化學(xué)反應(yīng)主要受電容行為的控制，這表明其具有優(yōu)異的倍率性能。此外，通過原位XRD和XPS分析，闡明了VOG正極在活化和穩(wěn)定循環(huán)過程中的儲(chǔ)能機(jī)制，包括V2O5向Zn3(OH)2V2O7·2H2O（ZVOH）相的轉(zhuǎn)變以及VO2宿主框架中Zn2+的可逆插入/脫出。

　　圖6通過非原位XRD分析，進(jìn)一步揭示了VOG正極在活化和穩(wěn)定循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)演變，證實(shí)了Zn2+的可逆插層反應(yīng)。

　　總結(jié)與展望

　　本研究成功地通過閃蒸焦耳加熱（FJH）技術(shù)，快速合成了一種由層狀VO2/V2O5微結(jié)構(gòu)和類石墨烯碳納米片組成的復(fù)合正極材料。該材料作為水系鋅離子電池（ZIBs）的正極，展現(xiàn)出了卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)為在1.0 A g–1的電流密度下經(jīng)過2500次循環(huán)后容量保持在355.5 mA h g–1，在10 A g–1的電流密度下經(jīng)過10000次循環(huán)后容量為169.5 mA h g–1。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果揭示，這種優(yōu)異的性能主要?dú)w因于以下幾個(gè)方面：

　　快速的電荷轉(zhuǎn)移：層狀VO2/V2O5異質(zhì)結(jié)構(gòu)中豐富的活性位點(diǎn)和內(nèi)置電場(chǎng)，以及類石墨烯碳納米片的優(yōu)異導(dǎo)電性，共同促進(jìn)了電子和鋅離子的快速轉(zhuǎn)移。

　　結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：層狀VO2/V2O5微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)減輕了在充放電過程中的結(jié)構(gòu)退化，從而提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

　　高性能的正極材料：這種復(fù)合正極材料的制備為高效ZIBs的發(fā)展提供了一種新穎且高效的途徑。

　　綜上所述，本研究不僅開發(fā)了一種高性能的VOG復(fù)合正極材料，而且通過一系列電化學(xué)和材料表征技術(shù)，深入揭示了其優(yōu)異電化學(xué)性能的內(nèi)在機(jī)制，為高效ZIBs的發(fā)展提供了重要的科學(xué)依據(jù)。未來的工作將集中在進(jìn)一步優(yōu)化FJH合成參數(shù)、探索不同成分的復(fù)合材料，以及深入研究其電化學(xué)機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)更高性能的鋅離子電池正極材料。

DOI: 10.1021/acsami.4c10376