近日，我所無機膜與催化新材料研究組（504組）楊維慎研究員和朱凱月研究員團隊應邀發表了水系鋅離子電池釩基正極的綜述文章，系統總結了釩基材料的基本構筑基元及其與性能的關聯性，深入揭示了其能量存儲機制及材料不穩定的本質原因，進而提出了高效的設計原則，并展望了釩基正極材料的未來發展路線圖。
水系鋅離子電池具有安全性高、成本低、功率密度高等優點，是一種非常有潛力的儲能技術。其中，釩基材料被認為是最具潛力的正極之一。然而，釩基材料在實際應用過程中存在溶解、易發生相變等問題，導致電池的長期循環穩定性尚不理想。此外，科研人員關于其存儲機制、活性相、副產物等方面仍存在爭議，尚未形成統一的共識。
本綜述旨在為鋅離子電池中的釩基正極材料制定一個清晰而全面的發展路線圖。團隊基于前期研究，分析了釩基材料的基本構筑基元及其與性能的關系，以指導高容量、高穩定性的釩基材料設計。團隊提出，高性能的釩基氧化物應具備完整的[VO6]八面體結構，同時避免形成[VO4]四面體或[VO5]四方錐（Chem. Mater.，2021）。團隊揭示了涉及H2O/H+/Zn2+共嵌入的能量存儲機制（Energy Stor. Mater.，2020；ACS Nano，2021；Chem. Sci.，2023），并闡明了材料不穩定的本質原因，包括水分子對[VO5] 四方錐的進攻，以及死釩（Zn3(OH)2V2O7·2H2O）的形成機制（Chem. Eng. J.，2024）等，為更有效地設計和優化釩基正極材料提供了基礎。此外，針對關鍵挑戰，團隊提出了提高釩基正極材料循環性能的有效設計原則，以及調控電解液和構筑保護層等策略（Chem. Sci.，2024；Front. Chem.，2022；Energy Environ. Sci.，2024），通過減少水對釩氧化物表面的侵蝕，抑制副產物的形成。此外，團隊利用原位電化學轉化、離子預嵌入、離子交換等方法（Energy Stor. Mater.，2021；ACS Nano，2019；Adv. Energy Mater.，2019；Angew. Chem. Int. Ed.，2023），制備出本征穩定的釩基正極材料。最后，團隊展望了水系鋅離子電池釩基正極未來的研究方向，建議聚焦于通過先進的原位表征和理論計算揭示原子級別的反應機制，通過促進離子/電子擴散提升倍率性能，開發高度穩定的正極材料并優化界面，從而增強循環穩定性，并推動釩基正極材料的規模化制備，提高正極的面載量，促進鋅離子電池的實際應用。
上述工作以“Vanadium-based cathodes for aqueous zinc-ion batteries: mechanisms, challenges, and strategies”為題，于近日發表在《化學研究評述》（Accounts of Chemical Research）上。該工作的第一作者是我所504組朱凱月。上述工作得到了國家自然科學基金、遼寧省自然科學基金等項目的資助。（文/圖 朱凱月）
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.accounts.4c00484
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