我室无机膜与催化新材料研究组（504组）杨维慎研究员和朱凯月研究员团队应邀发表了水系锌离子电池钒基正极的综述文章，系统总结了钒基材料的基本构筑基元及其与性能的关联性，深入揭示了其能量存储机制及材料不稳定的本质原因，进而提出了高效的设计原则，并展望了钒基正极材料的未来发展路线图。
水系锌离子电池具有安全性高、成本低、功率密度高等优点，是一种非常有潜力的储能技术。其中，钒基材料被认为是最具潜力的正极之一。然而，钒基材料在实际应用过程中存在溶解、易发生相变等问题，导致电池的长期循环稳定性尚不理想。此外，科研人员关于其存储机制、活性相、副产物等方面仍存在争议，尚未形成统一的共识。
本综述旨在为锌离子电池中的钒基正极材料制定一个清晰而全面的发展路线图。团队基于前期研究，分析了钒基材料的基本构筑基元及其与性能的关系，以指导高容量、高稳定性的钒基材料设计。团队提出，高性能的钒基氧化物应具备完整的[VO6]八面体结构，同时避免形成[VO4]四面体或[VO5]四方锥（Chem. Mater.，2021）。团队揭示了涉及H2O/H+/Zn2+共嵌入的能量存储机制（Energy Stor. Mater.，2020；ACS Nano，2021；Chem. Sci.，2023），并阐明了材料不稳定的本质原因，包括水分子对[VO5] 四方锥的进攻，以及死钒（Zn3(OH)2V2O7·2H2O）的形成机制（Chem. Eng. J.，2024）等，为更有效地设计和优化钒基正极材料提供了基础。此外，针对关键挑战，团队提出了提高钒基正极材料循环性能的有效设计原则，以及调控电解液和构筑保护层等策略（Chem. Sci.，2024；Front. Chem.，2022；Energy Environ. Sci.，2024），通过减少水对钒氧化物表面的侵蚀，抑制副产物的形成。此外，团队利用原位电化学转化、离子预嵌入、离子交换等方法（Energy Stor. Mater.，2021；ACS Nano，2019；Adv. Energy Mater.，2019；Angew. Chem. Int. Ed.，2023），制备出本征稳定的钒基正极材料。最后，团队展望了水系锌离子电池钒基正极未来的研究方向，建议聚焦于通过先进的原位表征和理论计算揭示原子级别的反应机制，通过促进离子/电子扩散提升倍率性能，开发高度稳定的正极材料并优化界面，从而增强循环稳定性，并推动钒基正极材料的规模化制备，提高正极的面载量，促进锌离子电池的实际应用。
上述工作以“Vanadium-based cathodes for aqueous zinc-ion batteries: mechanisms, challenges, and strategies”为题，于近日发表在《化学研究评述》（Accounts of Chemical Research）上。该工作的第一作者是504组朱凯月。上述工作得到了国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金等项目的资助。（文/图 朱凯月）
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.accounts.4c00484
