近年來，水系鋅離子電池因其高比容量、安全、環(huán)保、低成本等優(yōu)勢獲得了快速發(fā)展，未來有望在大規(guī)模儲能領域占據(jù)主導地位。開發(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)化的關鍵。釩基氧化物具有低成本和高理論容量，被認為是理想的水系鋅離子電池正極材料。然而，Zn²⁺在其晶體結構中嵌入/脫出時，存在固有的反應動力學緩慢、不可逆的結構劣化等問題，導致電化學性能衰減，這限制了其進一步發(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教授、中國科學技術大學陳濤教授等人提出了以“富鋅”的釩基化合物Zn₃V₃O₈(ZVO)為前驅體，通過原位電化學誘導脫去多余鋅離子的策略，構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)晶體結構示意圖。(c, d, e, f) ZVO的SEM,TEM,HRTEM和SAED譜圖。(g) ZVO的STEM圖和相應的元素映射圖。

不同于釩氧化物層間預插入金屬離子的策略，非原位XRD，Raman，TEM-EDS和ICP結果顯示，ZVO中本就含有大量Zn²⁺，相變過程中ZVO中多余的Zn²⁺被脫去轉化為Zn²⁺和H₂O分子共插的層狀Zn_0.52V₂O_5-a·1.8H₂O結構。存在于層間的Zn²⁺起到穩(wěn)固釩氧化物結構的支柱作用，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“富陽離子”釩氧化物為前驅體的原位自轉化策略，為解決水系鋅離子電池正極材料結構衰退問題提供了一種新思路。

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

(a) ZVOH的非原位XRD譜圖及0.2A g^-1時相應的充放電曲線(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Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是中國科學技術大學博士研究生梁文浩和江蘇大學饒德偉副教授，金輝樂與李俊教授為該論文共同通訊作者。