無定型-結晶異質結構氧化釩用于水系鋅離子電池

水系鋅離子電池具備良好的安全性以及相對低廉的制造成本，在大規模電化學儲能應用中前景廣闊。氧化釩，作為鋅離子電池正極材料，具備高比容量特性（通常>300 mAh g-1），被廣泛應用于電池研究中。然而，電極材料中鋅離子輸運動力學緩慢、材料構效關系、儲能機制尚不明確，制約了釩基鋅離子電池的廣泛應用。

近日，東北大學宋禹副教授、劉曉霞教授和燕山大學王靜教授合作，采用電化學方法構建了無定型-結晶氧化釩異質結構電極，材料中豐富的無定型-結晶異質界面可實現快速電荷傳遞，構建高性能水系鋅離子電池。

采用電化學循環伏安方法在碳電極表面沉積氧化釩納米帶材料，其結晶度低。借助高分辨透射電子顯微手段，作者發現電極材料內部存在大量無定型與納米結晶區域，形成豐富的無定型-結晶異質界面網絡。這與純結晶態氧化釩具有顯著區別。這種新穎的異質界面網絡，可實現高效電荷傳遞，加速電子、離子在電極表面的電荷轉移及電極內部的輸運。因此，無定型-結晶異質結構氧化釩材料表現出優異的電化學性能，例如高質量/面積比容量（516 mAh g-1，~5 mAh cm-2），良好的循環穩定性，以及良好的低溫適用性。

DFT理論計算及分子動力學模擬顯示，無定型-結晶異質結構的V-O配位環境與純無定型或結晶態材料不同。界面處電荷分布不均，形成局域電場，可能加速界面處電荷傳遞。此外，由于界面處原子重拍，異質結構電極表面具有更多的端基氧，利于Zn2+/H+離子的吸附。比之純相樣品，異質界面模型的離子遷移能壘更低，這表明Zn2+/H+在無定型-結晶界面處具備更快的傳質動力學。

綜上，無定型-結晶氧化釩異質結構電極具有優異的Zn2+存儲性能，為制備高性能水系鋅離子電池提供新機遇。此外，本工作揭示了低結晶度材料電化學性能提升機制，為制備其他高性能電化學器件提供了新思路。

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