随着对能源需求的增加，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和良好循环稳定性被广泛应用，但锂资源有限及安全问题限制了其发展。因此，钠离子电池（SIBs）、钾离子电池（KIBs）和锌离子电池（ZIBs）成为新一代能源存储的有力竞争者，尤其是水系ZIBs，因其低氧化还原电位、超高理论容量和低成本等优点展现出巨大潜力。尽管钒氧化物因其高可逆容量和优异倍率性能受到关注，但其在实际应用中仍面临低电导率和结构不稳定等问题。为此，研究者们探索了多种策略，如设计纳米材料和构建复合材料，以提高钒氧化物的电化学性能。闪蒸焦耳加热（FJH）技术以其超高温度和快速加热速率，简化了材料合成过程，显示出在制备高性能钒氧化物复合正极材料方面的巨大潜力。
2024年9月18日，苏州大学孙旭辉教授、江苏大学邓久军研究员等人在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Flash Joule Heating Synthesis of Layer-Stacked Vanadium Oxide/Graphene Hybrids within Seconds for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”的论文。本研究成功开发了一种快速、低成本的合成策略，制备出用于水系锌离子电池（ZIBs）的高性能钒氧化物基复合正极材料。
研究团队采用商业化的V2O5粉末，通过闪蒸焦耳加热技术（推荐阅读：突破高温实验难题：中科精研高通量焦耳热连续化设备），在短短2.5秒内制备出层状堆叠的VO2/V2O5和类石墨烯碳纳米片的复合材料。这种复合材料作为ZIBs正极时，展现出了优异的电化学性能，包括在0.2 A g–1的电流密度下可达到459 mA h g–1的比容量，以及在1.0 A g–1的电流密度下经过2500次循环后容量保持率为355.5 mA h g–1，甚至在10 A g–1的高电流密度下经过10000次循环后，容量仍能维持在169.5 mA h g–1。
进一步的电化学分析表明，这种卓越的性能得益于层状VO2/V2O5异质结构中丰富的活性位点和内置电场，以及类石墨烯碳纳米片的优异导电性，这些都加速了电荷转移并减轻了结构退化。此项工作为高效ZIBs的发展提供了一种独特的超快速、低成本制造高性能钒氧化物基复合正极材料的方法。
图片说明
总结与展望
本研究成功地通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术，快速合成了一种由层状VO2/V2O5微结构和类石墨烯碳纳米片组成的复合正极材料。该材料作为水系锌离子电池（ZIBs）的正极，展现出了卓越的循环稳定性，具体表现为在1.0 A g–1的电流密度下经过2500次循环后容量保持在355.5 mA h g–1，在10 A g–1的电流密度下经过10000次循环后容量为169.5 mA h g–1。电化学测试结果揭示，这种优异的性能主要归因于以下几个方面：
快速的电荷转移：层状VO2/V2O5异质结构中丰富的活性位点和内置电场，以及类石墨烯碳纳米片的优异导电性，共同促进了电子和锌离子的快速转移。
结构稳定性：层状VO2/V2O5微结构的设计减轻了在充放电过程中的结构退化，从而提高了材料的循环稳定性。
高性能的正极材料：这种复合正极材料的制备为高效ZIBs的发展提供了一种新颖且高效的途径。
文章链接：
Flash Joule Heating Synthesis of Layer-Stacked Vanadium Oxide/Graphene Hybrids within Seconds for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries
Xiaoxin Lv; Aomen Yang; Menglian Wang; Kaiqi Nie; Jiujun Deng; Xuhui Sun
ISSN: 1944-8244 , 1944-8252; DOI: 10.1021/acsami.4c10376
ACS applied materials & interfaces. , 2024
