周江＆梁叔全EES：水系锌离子电池正极：Li+插层V2O5•nH2O

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近年来，可充电多离子电池如锌离子电池(ZIBs)、镁离子电池(MIBs)、钙离子电池(CIBs)和铝离子电池(AIBs)由于低的生产成本和丰富的原材料被认为是潜在的储能装置。在这些储能装置中，水系锌离子电池由于化学稳定性以及低的氧化还原电位（-0.762 V vs. SHE）受到格外关注。然而，寻找稳定、合适容量且在脱嵌过程中保持结构稳定的适用于水系锌离子电池的正极材料仍然是一个挑战。

Zn ∥ LVO-250的工作机制以及LVO的结构表征

V2O5是一种在锂离子电池和钠离子电池中广泛应用的电池材料，它具有层状结构，这个层状结构由四方锥型的VO5通过共享边而相互连接组成。目前，它被认为是大体积多价金属离子如Mg2+、Zn2+以及Al3+的理想载体，但是不稳定的结构、低的电导率以及低的离子扩散系数导致在循环过程中容量急剧衰减。对于V2O5基的材料而言，插入的水分子对于有效扩张和维持层结构起到至关重要的作用。嵌入大金属离子，如Ca2+和Na+形成的金属钒酸盐也能改善在其在水系锌离子电池中的性能。基于此，作者研究了一系列的LixV2O5•nH2O(LVO)材料在水系锌离子电池中的应用。水分子插层的V2O5材料相比正交结构的V2O5具有的更大层间距利于离子的扩散，在本研究中，化学法Li+插层的V2O5•nH2O，层间距进一步扩大，（001）的面间距为13.77 Å。恒电流间歇滴定技术(GITT)揭示Zn2+在LixV2O5•nH2O中的扩散速度快于V2O5•nH2O。因此，类棉花状的LVO-250展示出极好的倍率性能和长周期循环稳定性。

最近，中南大学周江特聘教授和梁叔全教授研究团队该文章在国际著名Energy & Environmental Science上发表题为Li+ ions intercalated V2O5•nH2O with enlarged layered spacing and fast ions diffusion as aqueous zinc-ion battery cathode的文章。在文章中作者引入了一种有效的策略，即通过化学法将Li+插入到V2O5•nH2O的夹层中形成LixV2O5•nH2O (LVO)，从而扩大了层间距，加快了Zn2+的扩散。在2M ZnSO4溶液中，类棉花状的LVO-250表现出高的倍率性能和优异的循环性能，在5 A g-1的电流密度下循环500圈仍有232 mA h g-1，甚至10 A g-1的电流密度下循环1000圈还有192 mA h g-1。同时，作者详细研究了材料的电化学反应动力学和储锌的机制。

作者报道了一系列的LixV2O5•nH2O化合物，其中LVO-250用于水系锌离子电池正极，在2M ZnSO4中释放出高的容量，且在大电流下具有优异的循环性能。更有，这些电池表现出良好的温度适应性。Li+插层V2O5•nH2O材料具有的更大层间距确保了Zn2+的快速扩散，提高了循环过程中结构的稳定性。这种结构工程策略以及对离子扩散动力学的深入研究，同样可以用于不同的领域，来研究其他功能材料以期提高性能。

“Li+ ions intercalated V2O5•nH2O with enlarged layered spacing and fast ions diffusion as aqueous zinc-ion battery cathode.”（Energy Environ. Sci. 2018. DOI: 10.1039/C8EE01651H）

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee01651h