随着全球能源需求的快速增长，寻找可持续、环保的储能解决方案变得尤为迫切。在众多储能技术中，锌离子电池因其优异的安全性、低成本和环境友好性，成为研究热点。相较于锂离子电池，锌离子电池采用水性电解质，不仅降低了成本，还极大地提高了安全性和环境兼容性。此外，锌的丰富储量和其氧化还原反应的低电位（-0.76V vs.2H+/H2），使得锌离子电池在储能领域具备广泛的应用前景。然而，锌离子电池的性能仍受到电极材料性能的制约。特别是，现有的锌离子电池正极材料在导电性、离子扩散性和结构稳定性方面存在显著挑战。
本文提出了一种通过一步水热法合成的VO2@VS2异质结构材料，用于高效稳定的锌离子存储。研究中，VO2@VS2复合材料展现了显著的电化学性能提升，包括在0.1Ag⁻¹电流密度下的468mAhg⁻¹可逆容量，以及在1.0Ag⁻¹电流密度下经过1000次循环后仍保持85%容量的循环稳定性。本文通过电化学分析和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了VO2和VS2之间的异质界面协同效应及内建电场的作用机制，这显著提高了材料的电荷传输效率和锌离子存储能力。此外，实验还通过拉曼光谱确认了该材料在循环过程中的离子存储机理。本文的研究成果为开发高性能锌离子电池正极材料提供了一种新的材料设计思路。
VO2@VS2异质结构的合成与表征
图1 VO2@VS2异质结构材料的合成及表征：（a）VO2@VS2空心纳米球的水热合成示意图；（b）VO2@VS2材料的X射线衍射（XRD）图谱，表明了VO2和VS2的成功制备；（c）V2p的高分辨X射线光电子能谱（XPS）光谱，显示出V的价态为+4；（d）S2p的XPS光谱，确认了S的存在形态；（e）O1s的XPS光谱。这些表征手段共同验证了VO2@VS2异质结构的成功合成与其稳定的化学状态。
VO2@VS2异质结构的形貌和晶体结构
通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的分析，本文进一步揭示了VO2@VS2异质结构的形貌特征和晶体结构。VO2@VS2纳米球展示了空心球状结构，表面均匀分布着VS2纳米片，这种特殊的结构有助于快速的离子传输和材料的电化学反应。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）结果显示出VO2和VS2之间的清晰晶体界面，表明该异质结构的晶体完整性良好。此外，SEM元素映射分析进一步表明了V、O和S元素在材料中的均匀分布。这些结构特征为材料的优异电化学性能提供了支持。
VO2@VS2异质结构的电化学性能测试
VO2@VS2的电化学动力学与锌离子扩散
为了深入研究VO2@VS2材料的电化学反应动力学，本文采用了电化学阻抗谱（EIS）和恒电流间歇滴定法（GITT）等方法。GITT测试表明，VO2@VS2材料中的锌离子扩散系数显著高于单独的VO2和VS2材料，说明该异质结构有效提高了锌离子的传输效率。EIS结果显示，VO2@VS2的转移电阻较低，这进一步验证了该材料的高导电性和优异的电化学性能。此外，异质结构界面形成的内建电场有助于促进电子和离子的快速迁移，增强了电化学反应动力学。
VO2@VS2异质结构中的Zn离子存储机制与理论分析
本文通过原位拉曼光谱和密度泛函理论（DFT）计算，深入研究了VO2@VS2异质结构的Zn离子存储机制。原位拉曼光谱显示，随着Zn离子插入VO2和VS2结构中，材料的晶格发生了可逆扩展，表明Zn离子的插入和提取是可逆的。DFT计算进一步揭示了异质结构界面处的电子积累和耗散区域，表明该界面具有较低的Zn离子扩散能垒，从而提高了电子和Zn离子的传输效率。该理论分析为VO2@VS2在高性能锌离子电池中的应用提供了重要的理论支持。
总结与未来展望
VO2@VS2异质结构材料在本研究中展示了其作为锌离子电池正极材料的巨大潜力。通过一步水热法合成的VO2@VS2空心纳米球表现出优异的电化学性能，包括高可逆容量、出色的倍率性能以及在长周期充放电过程中的稳定性。这种材料的成功设计和应用归功于VO2与VS2之间的异质结构协同效应和内建电场，显著增强了电子传输和锌离子的存储效率。此外，密度泛函理论（DFT）计算进一步验证了异质结构界面对电荷转移的优化作用。通过原位拉曼光谱的验证，研究证实了该材料在循环过程中结构的稳定性。
尽管VO2@VS2异质结构在电化学性能方面已经取得了显著进展，未来仍需进一步研究以优化材料的导电性和离子扩散速率，并探索更环保的合成方法。此外，为了实现更长的循环寿命和更高的能量密度，进一步的材料设计和工程改进仍然是必要的。未来研究可考虑将该复合材料与其他高效电极材料相结合，以开发新型高性能锌离子电池。这些改进不仅将推动锌离子电池的实际应用，还将为下一代储能技术提供重要的理论与实验支持。
本研究得到了青岛大学大学生创新创业训练计划项目（资助号：X2023110650038）和广东省基础与应用基础研究基金（资助号：2023B1515120003）的经费支持，感谢团队成员在电化学性能测试和材料表征方面的贡献。
第3卷第2期
第3卷第1期
第2卷第4期
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评论 || 汪卫华院士：新型无机玻璃材料在能源储存领域取得突破性进展促进多领域交叉合作！非晶态材料与物理学原理辅助设计低温水溶液电池电解液（松山湖材料实验室胡远超/香港中文大学蒋礼威）
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期刊特色｜Unique Features
01
免费开放获取，免除作者出版费
02
快速发表，文章被接收后24h内上线
03
“未来展望”，展示该研究领域前瞻性专家观点
04
自由格式撰写，排版工作由IOPP承担
期 刊 简 介
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Materials Futures（《材料展望》， ISSN 2752-5724）创刊于2022年，由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版，入选“2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”、“2023年度广东省高起点英文新刊项目”，2023年3月成为国际出版伦理委员会 (COPE) 成员，现已被ESCI、Ei、Scopus、Inspec、DOAJ、万方等数据库收录。获得首个影响因子12.0，在全球材料综合类438本期刊中排名第41，位列Q1区。本期刊面向全球开放获取，免收作者版面费 (APC)。期刊致力于打造材料科学领域的高水平综合性期刊，为全球材料领域科学家搭建学术交流与合作平台。刊载范围聚焦结构材料、能源材料、生物材料、纳米材料、量子材料、信息材料、材料理论与计算。
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