应用成果

　　随着对能源需求的增加，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和良好循环稳定性被广泛应用，但锂资源有限及安全问题限制了其发展。因此，钠离子电池（SIBs）、钾离子电池（KIBs）和锌离子电池（ZIBs）成为新一代能源存储的有力竞争者，尤其是水系ZIBs，因其低氧化还原电位、超高理论容量和低成本等优点展现出巨大潜力。尽管钒氧化物因其高可逆容量和优异倍率性能受到关注，但其在实际应用中仍面临低电导率和结构不稳定等问题。为此，研究者们探索了多种策略，如设计纳米材料和构建复合材料，以提高钒氧化物的电化学性能。闪蒸焦耳加热（FJH）技术以其超高温度和快速加热速率，简化了材料合成过程，显示出在制备高性能钒氧化物复合正极材料方面的巨大潜力。

　　文章简介

　　2024年9月18日，苏州大学孙旭辉教授、江苏大学邓久军研究员等人在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Flash Joule Heating Synthesis of Layer-Stacked Vanadium Oxide/Graphene Hybrids within Seconds for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”的论文。本研究成功开发了一种快速、低成本的合成策略，制备出用于水系锌离子电池（ZIBs）的高性能钒氧化物基复合正极材料。研究团队采用商业化的V2O5粉末，通过闪蒸焦耳加热技术，在短短2.5秒内制备出层状堆叠的VO2/V2O5和类石墨烯碳纳米片的复合材料。这种复合材料作为ZIBs正极时，展现出了优异的电化学性能，包括在0.2 A g–1的电流密度下可达到459 mA h g–1的比容量，以及在1.0 A g–1的电流密度下经过2500次循环后容量保持率为355.5 mA h g–1，甚至在10 A g–1的高电流密度下经过10000次循环后，容量仍能维持在169.5 mA h g–1。进一步的电化学分析表明，这种卓越的性能得益于层状VO2/V2O5异质结构中丰富的活性位点和内置电场，以及类石墨烯碳纳米片的优异导电性，这些都加速了电荷转移并减轻了结构退化。此项工作为高效ZIBs的发展提供了一种独特的超快速、低成本制造高性能钒氧化物基复合正极材料的方法。

　　图文导读

　　在本研究中，研究人员通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术，成功地在2.5秒内制备了一种复合正极材料，该材料由层状VO2/V2O5微结构和类石墨烯碳纳米片组成（标记为VOG）。这种材料在水系锌离子电池（ZIBs）中展现出卓越的电化学性能。

　　图1展示了VOG复合正极材料的制备过程。通过在导电石墨纸基底上施加电流脉冲，快速产生高温，使商业V2O5粉末熔化、聚集并还原成层状VO2/V2O5微结构。同时，V2O5粉末的熔化还从石墨纸基底上剥离出类石墨烯碳纳米片，形成复合结构。

　　图2通过扫描电子显微镜（SEM）图像、能量色散光谱（EDS）映射和透射电子显微镜（TEM）图像，揭示了VOG复合材料中层状VO2/V2O5和类石墨烯碳纳米片的存在。低倍率TEM图像显示了VO2/V2O5和类石墨烯碳纳米片的层状结构，而高倍率HRTEM图像进一步展示了多层碳片的层间距为0.36纳米，与文献中石墨烯的层间距一致。

　　图3通过X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）分析，进一步确认了VOG复合材料中钒氧化物和类石墨烯碳纳米片的共存，以及它们之间的强相互作用，这有利于界面电荷转移。

　　图4展示了VOG正极材料的电化学性能测试结果，包括循环伏安（CV）曲线、恒流充放电（GCD）曲线和循环性能。这些结果表明，VOG复合材料在ZIBs中具有优异的电化学活性和稳定性。

　　图5通过不同扫描速率下的CV测试，揭示了VOG正极的电化学反应主要受电容行为的控制，这表明其具有优异的倍率性能。此外，通过原位XRD和XPS分析，阐明了VOG正极在活化和稳定循环过程中的储能机制，包括V2O5向Zn3(OH)2V2O7·2H2O（ZVOH）相的转变以及VO2宿主框架中Zn2+的可逆插入/脱出。

　　图6通过非原位XRD分析，进一步揭示了VOG正极在活化和稳定循环过程中的结构演变，证实了Zn2+的可逆插层反应。

　　总结与展望

　　本研究成功地通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术，快速合成了一种由层状VO2/V2O5微结构和类石墨烯碳纳米片组成的复合正极材料。该材料作为水系锌离子电池（ZIBs）的正极，展现出了卓越的循环稳定性，具体表现为在1.0 A g–1的电流密度下经过2500次循环后容量保持在355.5 mA h g–1，在10 A g–1的电流密度下经过10000次循环后容量为169.5 mA h g–1。电化学测试结果揭示，这种优异的性能主要归因于以下几个方面：

　　快速的电荷转移：层状VO2/V2O5异质结构中丰富的活性位点和内置电场，以及类石墨烯碳纳米片的优异导电性，共同促进了电子和锌离子的快速转移。

　　结构稳定性：层状VO2/V2O5微结构的设计减轻了在充放电过程中的结构退化，从而提高了材料的循环稳定性。

　　高性能的正极材料：这种复合正极材料的制备为高效ZIBs的发展提供了一种新颖且高效的途径。

　　综上所述，本研究不仅开发了一种高性能的VOG复合正极材料，而且通过一系列电化学和材料表征技术，深入揭示了其优异电化学性能的内在机制，为高效ZIBs的发展提供了重要的科学依据。未来的工作将集中在进一步优化FJH合成参数、探索不同成分的复合材料，以及深入研究其电化学机制，以实现更高性能的锌离子电池正极材料。

DOI: 10.1021/acsami.4c10376