研究背景

水系锌离子电池具有高比容量、高功率、绿色安全、成本低等优点，使其逐渐成为水系电池的研究热门。钒氧化物作为其重要的正极极材料，具有储量丰富、多种可变价态所带来的高容量、良好循环稳定性。然而钒氧化物在循环过程中锌离子与VO₂（B）正极材料主晶格之间的强烈相互作用，使得电池展示了较差的倍率性能。基于此，人们开展了基于VO₂（B）正极材料的改性和调控提升其倍率性能的研究。

研究内容

基于此，兰州大学材料与能源学院彭尚龙教授团队基于原位衍生策略构建VO₂@V₂C 1D/2D异质结构提升了水系锌离子电池倍率性能，并与成功合成的纯相VO₂进行对比，深入讨论了VO₂正极材料倍率性能提升的原因。相关的研究成果以“Construction Strategy of VO₂@V₂C 1D/2D Heterostructure and Improvement of Zinc-ion Diffusion Ability in VO₂(B)”发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上（Article DOI:10.1021/acsami.2c03646），并入选当期封面文章。硕士生陈杰为文章第一作者，黄娟娟副教授、闫德副教授和彭尚龙教授为文章通讯作者。

封面效果图

在这项研究工作中，基于提高VO₂正极材料速率性能提升的考虑，作者提出了一种不同于以往的纯VO₂（B）合成修饰的多步策略。采用原位衍生策略对V₂C进行可控部分氧化，制备了VO₂@V₂C 1D/2D异质结构，并与合成纯相VO₂进行对比研究。微观层面上，异质结构界面的电荷转移再分配与结合水的引入提高了VO₂导电性与离子扩散率，宏观层面上，V₂C中 V-C-V 2D导电层状结构缩短了锌离子扩散路径，而百纳米级别的衍生VO₂缩小了锌离子的传输距离，最终显著提高了VO₂正极材料的速率性能。不仅如此，进一步研究发现电压窗口扩展到1.24 V时，V₂C将发生不可逆的电化学氧化过程。因此，进一步构建VO₂@V₂CO_x异质结构赋予V₂C电化学活性，从而提高了电极材料比容量。

图文简介

图1 合成示意图

图2 形貌表征

图3 结构表征

图4 电化学性能测试

图5 动力学分析

图6 动力学分析2