隨著對能源需求的增加，鋰離子電池（LIBs）因其高能量密度和良好循環穩定性被廣泛應用，但鋰資源有限及安全問題限制了其發展。因此，鈉離子電池（SIBs）、鉀離子電池（KIBs）和鋅離子電池（ZIBs）成為新一代能源存儲的有力競爭者，尤其是水系ZIBs，因其低氧化還原電位、超高理論容量和低成本等優點展現出巨大潛力。盡管釩氧化物因其高可逆容量和優異倍率性能受到關注，但其在實際應用中仍面臨低電導率和結構不穩定等問題。為此，研究者們探索了多種策略，如設計納米材料和構建復合材料，以提高釩氧化物的電化學性能。閃蒸焦耳加熱（FJH）技術以其超高溫度和快速加熱速率，簡化了材料合成過程，顯示出在制備高性能釩氧化物復合正極材料方面的巨大潛力。

　　文章簡介

　　2024年9月18日，蘇州大學孫旭輝教授、江蘇大學鄧久軍研究員等人在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上發表了題為“Flash Joule Heating Synthesis of Layer-Stacked Vanadium Oxide/Graphene Hybrids within Seconds for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”的論文。本研究成功開發了一種快速、低成本的合成策略，制備出用于水系鋅離子電池（ZIBs）的高性能釩氧化物基復合正極材料。研究團隊采用商業化的V2O5粉末，通過閃蒸焦耳加熱技術，在短短2.5秒內制備出層狀堆疊的VO2/V2O5和類石墨烯碳納米片的復合材料。這種復合材料作為ZIBs正極時，展現出了優異的電化學性能，包括在0.2 A g–1的電流密度下可達到459 mA h g–1的比容量，以及在1.0 A g–1的電流密度下經過2500次循環后容量保持率為355.5 mA h g–1，甚至在10 A g–1的高電流密度下經過10000次循環后，容量仍能維持在169.5 mA h g–1。進一步的電化學分析表明，這種卓越的性能得益于層狀VO2/V2O5異質結構中豐富的活性位點和內置電場，以及類石墨烯碳納米片的優異導電性，這些都加速了電荷轉移并減輕了結構退化。此項工作為高效ZIBs的發展提供了一種獨特的超快速、低成本制造高性能釩氧化物基復合正極材料的方法。

　　圖文導讀

　　在本研究中，研究人員通過閃蒸焦耳加熱（FJH）技術，成功地在2.5秒內制備了一種復合正極材料，該材料由層狀VO2/V2O5微結構和類石墨烯碳納米片組成（標記為VOG）。這種材料在水系鋅離子電池（ZIBs）中展現出卓越的電化學性能。

　　圖1展示了VOG復合正極材料的制備過程。通過在導電石墨紙基底上施加電流脈沖，快速產生高溫，使商業V2O5粉末熔化、聚集并還原成層狀VO2/V2O5微結構。同時，V2O5粉末的熔化還從石墨紙基底上剝離出類石墨烯碳納米片，形成復合結構。

　　圖2通過掃描電子顯微鏡（SEM）圖像、能量色散光譜（EDS）映射和透射電子顯微鏡（TEM）圖像，揭示了VOG復合材料中層狀VO2/V2O5和類石墨烯碳納米片的存在。低倍率TEM圖像顯示了VO2/V2O5和類石墨烯碳納米片的層狀結構，而高倍率HRTEM圖像進一步展示了多層碳片的層間距為0.36納米，與文獻中石墨烯的層間距一致。

　　圖3通過X射線光電子能譜（XPS）和X射線吸收光譜（XAS）分析，進一步確認了VOG復合材料中釩氧化物和類石墨烯碳納米片的共存，以及它們之間的強相互作用，這有利于界面電荷轉移。

　　圖4展示了VOG正極材料的電化學性能測試結果，包括循環伏安（CV）曲線、恒流充放電（GCD）曲線和循環性能。這些結果表明，VOG復合材料在ZIBs中具有優異的電化學活性和穩定性。

　　圖5通過不同掃描速率下的CV測試，揭示了VOG正極的電化學反應主要受電容行為的控制，這表明其具有優異的倍率性能。此外，通過原位XRD和XPS分析，闡明了VOG正極在活化和穩定循環過程中的儲能機制，包括V2O5向Zn3(OH)2V2O7·2H2O（ZVOH）相的轉變以及VO2宿主框架中Zn2+的可逆插入/脫出。

　　圖6通過非原位XRD分析，進一步揭示了VOG正極在活化和穩定循環過程中的結構演變，證實了Zn2+的可逆插層反應。

　　總結與展望

　　本研究成功地通過閃蒸焦耳加熱（FJH）技術，快速合成了一種由層狀VO2/V2O5微結構和類石墨烯碳納米片組成的復合正極材料。該材料作為水系鋅離子電池（ZIBs）的正極，展現出了卓越的循環穩定性，具體表現為在1.0 A g–1的電流密度下經過2500次循環后容量保持在355.5 mA h g–1，在10 A g–1的電流密度下經過10000次循環后容量為169.5 mA h g–1。電化學測試結果揭示，這種優異的性能主要歸因于以下幾個方面：

　　快速的電荷轉移：層狀VO2/V2O5異質結構中豐富的活性位點和內置電場，以及類石墨烯碳納米片的優異導電性，共同促進了電子和鋅離子的快速轉移。

　　結構穩定性：層狀VO2/V2O5微結構的設計減輕了在充放電過程中的結構退化，從而提高了材料的循環穩定性。

　　高性能的正極材料：這種復合正極材料的制備為高效ZIBs的發展提供了一種新穎且高效的途徑。

　　綜上所述，本研究不僅開發了一種高性能的VOG復合正極材料，而且通過一系列電化學和材料表征技術，深入揭示了其優異電化學性能的內在機制，為高效ZIBs的發展提供了重要的科學依據。未來的工作將集中在進一步優化FJH合成參數、探索不同成分的復合材料，以及深入研究其電化學機制，以實現更高性能的鋅離子電池正極材料。

DOI: 10.1021/acsami.4c10376