通过低共熔氧化方法制备具有双层结构的钒氧化物纳米带

研 究 背 景

解决钒氧化物正极材料在可充电式水系锌离子电池（ZIBs）中的结构不稳定性和动力学迟缓等限制是当前迫切而具有挑战的问题。研究表明，将金属离子预插层到钒氧化物夹层中可以有效扩大层间空间，并能形成柱状结构，保证了锌离子电池的长循环能力。

另外，非均相材料涂层被证明可以提高电化学性能，这归因于离子吸附位点的增加以及电子导电性的提高，并能防止活性材料的坍塌/溶解。本文通过快速一步低共熔氧化方法成功制备了具有双层结构的钒氧化物纳米带，得益于预插层Li+和Na+的协同效应，所构筑电极表现出优异的电化学性能。本研究工作将为设计、制备先进的钒基锌离子电池正极材料提供了一种全新的策略。

文 章 简 介

本文通过快速一步低共熔氧化过程成功制备了双层结构的钒氧化物纳米带（LiV3O8@NaV3O8，LVO@NVO）。得益于预插入的Li+，Na+以及所构筑的双层结构，LVO@NVO获得了更高的赝电容、更快的电荷转移/离子扩散动力学以及更强健的框架。因此，当作为ZIBs的正极时，LVO@NVO电极展示出惊人的容量（476 mAh g−1@0.05 A g−1）、优异的倍率性能（236 mAh g−1@5 A g−1）和卓越的长循环稳定性（2 A g−1循环2000次，容量保持率高达93.4%）。

本 文 要 点

要点一：正极材料的合成、结构、形貌等物化性质表征

采用快速一步低共熔氧化法制备了Li+、Na+预插层的钒氧化物双层纳米带。VCl3中的V3+被低共熔体中的硝酸根氧化为V5+，形成钒氧化物纳米带，与此同时，低共熔体中的Li+/Na+嵌入到钒氧化物夹层空间。表征结果表明，所合成的材料由两相组成，并呈现出双层的纳米带形貌。分析认为，NVO相在低共熔体中优先形核和生长，LVO相外延生长形成双层结构。

图1. 材料LVO@NVO的物化性质表征

要点二：正极材料电化学性能的表征

将所合成材料制成电极，与锌负极匹配构筑锌离子电池，对其储锌性能进行了表征。结果表明，双层钒氧化物电极（LVO@NVO）表现出极高的电化学活性（476 mAh g−1@0.05 A g−1）、优异的倍率性能（236 mAh g−1@5 A g−1）和卓越的长循环稳定性（2 A g−1循环2000次，容量保持率高达93.4%），其性能远优异对比电极NVO（81 mAh g−1@5 A g−1）。

图2. LVO@NVO电极的储锌性能表征

要点三：正极材料动力学分析

电极材料优异的电化学性能与其反应动力学具有密切的联系。因此，通过CV、EIS、GITT等对电极的反应动力学进行了分析。结果表明，相比于NVO，LVO@NVO电极表现出更高的赝电容、更快的电荷转移/离子扩散动力学。

图3. LVO@NVO电极动力学分析

要点四：正极材料储能机理探究

最后，结合离位XRD、SEM以及XPS等对LVO@NVO电极的能量存储机理进行了探究。结果表明，LVO@NVO电极在放/充电过程中，Zn2+、H+共嵌入/脱出，并伴随金属钒的还/氧化原以及碱式硫酸锌（ZSH）微米片在电极表明的沉积/溶解。

图4. LVO@NVO电极能量存储机理分析

审核编辑：刘清