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研究背景

水系鋅離子電池具有高比容量、高功率、綠色安全、成本低等優(yōu)點，使其逐漸成為水系電池的研究熱門。釩氧化物作為其重要的正極極材料，具有儲量豐富、多種可變價態(tài)所帶來的高容量、良好循環(huán)穩(wěn)定性。然而釩氧化物在循環(huán)過程中鋅離子與VO₂（B）正極材料主晶格之間的強烈相互作用，使得電池展示了較差的倍率性能。基于此，人們開展了基于VO₂（B）正極材料的改性和調控提升其倍率性能的研究。

研究內容

基于此，蘭州大學材料與能源學院彭尚龍教授團隊基于原位衍生策略構建VO₂@V₂C 1D/2D異質結構提升了水系鋅離子電池倍率性能，并與成功合成的純相VO₂進行對比，深入討論了VO₂正極材料倍率性能提升的原因。相關的研究成果以“Construction Strategy of VO₂@V₂C 1D/2D Heterostructure and Improvement of Zinc-ion Diffusion Ability in VO₂(B)”發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上（Article DOI:10.1021/acsami.2c03646），并入選當期封面文章。碩士生陳杰為文章第一作者，黃娟娟副教授、閆德副教授和彭尚龍教授為文章通訊作者。

封面效果圖

在這項研究工作中，基于提高VO₂正極材料速率性能提升的考慮，作者提出了一種不同于以往的純VO₂（B）合成修飾的多步策略。采用原位衍生策略對V₂C進行可控部分氧化，制備了VO₂@V₂C 1D/2D異質結構，并與合成純相VO₂進行對比研究。微觀層面上，異質結構界面的電荷轉移再分配與結合水的引入提高了VO₂導電性與離子擴散率，宏觀層面上，V₂C中 V-C-V 2D導電層狀結構縮短了鋅離子擴散路徑，而百納米級別的衍生VO₂縮小了鋅離子的傳輸距離，最終顯著提高了VO₂正極材料的速率性能。不僅如此，進一步研究發(fā)現(xiàn)電壓窗口擴展到1.24 V時，V₂C將發(fā)生不可逆的電化學氧化過程。因此，進一步構建VO₂@V₂CO_x異質結構賦予V₂C電化學活性，從而提高了電極材料比容量。

圖文簡介

圖1 合成示意圖

圖2 形貌表征

圖3 結構表征

圖4 電化學性能測試

圖5 動力學分析

圖6 動力學分析2