随着能源危机和环境问题的日益突出，开发清洁、环保和安全的新型储能装置势在必行。在各种水系电池中，水锌离子电池（AZIBs）由于其能量密度高、安全性高、环保、无毒等优点，被认为是一种极具应用潜力的电化学储能装置。到目前为止，各种正极材料已经在AZIBs中进行了探索。其中，钒基材料得到了广泛的研究，包括钒基氧化物、钒基氮化物和钒基硫化物。然而，钒基材料的发展仍受以下两方面的制约：（1）导电性差不利于电子转移；（2）Zn2+的脱嵌引起结构的滑移或坍塌。因此，提高钒基材料的结构稳定性和离子扩散/电荷转移动力学对AZIBs的发展至关重要。硫化钒（如VS2、VS4、V3S4）是钒基正极材料家族中的一员。硫的电负性低于氧，导致与锌离子的静电相互作用较弱。其中，VS2具有层状结构、价格低廉、储量丰富、导电性高等优点，在AZIBs中展现出较大的应用潜力。然而，多价离子的强电荷斥力和固有的扩散速率慢，使得锌离子在电极材料中实现高而快速的存储仍然是困难的。此外，在制备层状VS2纳米片的过程中，它会反复堆叠形成较厚的块状材料，导致与电解液接触不足，从而降低离子转移速率。同时，电化学过程中大量低价钒的积累导致电极材料中钒的利用效率低。鉴于此，延安大学王建伟/甄延忠教授团队提出了一种均相纳米材料化与电化学活化双重调控策略来增强锌离子存储（图1）。纯的VS2材料是由一层一层堆叠厚片组成的块状结构，而引入CaCl2后形成的VS2/CaV4O9材料，由不规则块状转变为众多薄片组成均相的纳米花结构。VS2/CaV4O9材料开放结构可以提供丰富的电化学活性位点和离子传输通道，从而促进电化学反应动力学（图2）。为了探究电化学活化对离子存储性能的影响，分别选择不同的活化电压窗口0.4-1.4 V和0.4-1.6 V。截至电压为1.6 V时，VS2材料在第一圈中表现出明显的长充电平台，表明低价钒经历了有效的电化学活化过程。同时，高电压活化后的VS2表现出较高的比容量。与VS2材料长的活化平台相比，VS2/CaV4O9材料在0.4-1.6 V范围内快速达到活化状态，同时具有更高的比容量（图3）。研究结果表明，在15 A g-1的高电流密度下，VS2/CaV4O9材料在5000圈循环后仍具有183.9 mAh g−1的放电容量，且每圈的容量衰减率仅为0.0042%。![]()
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图2. VS2的（a）SEM和（b）TEM图；VS2/CaV4O9的（c）SEM、（d）TEM图和（e）EDS图；（f，g）VS2和VS2/CaV4O9的HRTEM图；（h）VS2/CaV4O9的SAED模式![]()
图3. VS2在不同截止电压下的（a，b）GCD和（c，d）CV曲线；VS2/CaV4O9的（e）GCD和（f）CV曲线延安大学化学与化工学院王建伟副教授、张文林博士和甄延忠教授为文章的通讯作者。详见：Jianwei Wang*, Huan Wang, Kangning Wang, Wenhui Wang, Wenlin Zhang*, Yanzhong Zhen*. Dual Modulation of Homogeneous Nanomaterialization and Electrochemical Activation Enhancing Zinc Ion Storage. Sci. China Chem., 2024, doi.org/10.1007/s11426-024-2166-7扫描二维码或点击左下角“阅读原文”可查阅全文。
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