朱孔军、刘鹏程、梁彭花，AFM：体积中和策略实现近零应变的H2V3O8/MXene/VO2正极用于长寿命水系锌离子电池

第一作者：季定玮、郭君

通讯作者：朱孔军*、刘鹏程*、梁彭花*

单位：南京航空航天大学、东南大学、湖州学院

水系锌离子电池(ZIBs)因其丰富的锌储量、低廉的成本以及水系电解液较高的安全性，成为了储能领域研究的热点。其中，钒氧化物开放的晶体结构以及高理论比容量等优点，引起了研究者们的广泛关注。然而，充放电过程中正极材料严重的体积膨胀/收缩问题一直限制着钒氧化物ZIBs的进一步应用。在航天领域，常利用正负热膨胀系数材料复合实现近零热膨胀，从而在宽温域内保持尺寸稳定性。受此启发，本研究利用体积中和策略将两种循环过程中体积变化趋势相反的材料集成于电池体系中，以构建近零体积应变的长寿命ZIBs。

近日，来自南京航空航天大学的朱孔军教授与东南大学的刘鹏程教授、湖州学院的梁彭花讲师合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Achieving Near-Zero-Strain via Volumetric Neutralization in an H2V3O8/MXene/VO2 Cathode for Durable Zinc-Ion Batteries”的文章。该研究采用高温混合水热法合成了H2V3O8/MXene/VO2复合正极材料。研究人员首次利用体积中和策略，将H2V3O8/MXene和VO2/MXene进行复合。系统地研究了H2V3O8/MXene/VO2的电化学性能，并通过微观的原位XRD和宏观的光纤监测探究了材料在充放电过程中的体积变化。

在目前的电池大规模储能背景下，充放电过程正极材料频繁的体积变化会导致一系列的危害：例如机械失效、内部短路、热失控等。这些风险极大程度上限制了水系锌电乃至整个电池体系应用的发展。介于此，该研究提出了一种新的方法来有效稳定正极在充放电过程中的体积变化。参考航空航天领域的零热膨胀材料的构建思路，本研究将充放电过程中体积变化趋势相反的H2V3O8/MXene和VO2/MXene进行复合，首次利用体积中和策略构建了体积变化稳定的H2V3O8/MXene/VO2复合正极材料。

为了分析正极材料在充放电过程中的体积变化，本研究将微观的原位XRD测试和宏观的光纤监测结合，两者共同证明了材料的体积变化趋势。原位XRD曲线衍射峰偏移趋势以及具体的晶胞体积变化参数证明了H2V3O8/MXene和VO2/MXene两种材料在不同的充放电阶段表现出相反的体积变化。而复合正极材料，其晶胞体积变化幅度明显减小，充分证实利体积中和策略可以有效抑制充放电过程中正极材料的体积膨胀/收缩，保持体积稳定，从而有效提升电极材料的比容量和循环稳定性。为了进一步分析电池内部的体积变化，将光纤光栅嵌入电池中以实现其内部应变的原位监测。电池内部的体积变化会导致传感器的中心波长偏移，通过追踪波长偏移即可获得内部的应变信息。通过分析应变信号，发现应变信号与电压信号之间高度相关。H2V3O8/MXene和VO2/MXene两种材料的应变变化趋势相反，复合正极的应变曲线变化最稳定，这与原位XRD结果相对应。宏观和微观的测试结合，共同证明了利用体积中和策略构建体积变化稳定的正极材料是可行的。

利用体积中和策略构建的复合正极材料在在0.1 A g-1的电流密度下具有高达457 mAh g-1的放电比容量。同时，在10 A g-1的电流密度下有最高428 mAh g-1的比容量，并且在经过5000次循环后，仍有着352 mAh g-1的比容量。通过抑制充放电过程中正极材料的体积变化可以有效提升电极的比容量和循环稳定性，稳定的体积变化也会使正极材料颗粒间的结合力变强，从而提高电池的循环寿命。性能结果证明了复合材料在低电流密度和高电流密度下都具有优异的容量和循环寿命，这是实际应用的关键。

本研究为开发体积稳定的水系锌离子电池正极材料提供了一种富有前景的策略，从而推动其向大规模储能应用方向发展。但体积变化的机理还需进一步探究，且电池的实际应用仍面临诸多挑战。未来工作可以结合更多的原位测试手段，比如原位TEM、DFT计算等，进一步分析正极材料的体积变化。同时，可以加入软包电池组装、低温条件的测试等，以满足更多实际应用的需求。

D.Ji, J.Guo, Z.Kong, et al. “Achieving Near-Zero-Strain via Volumetric Neutralization in an H2V3O8/MXene/VO2 Cathode for Durable Zinc-Ion Batteries.” Adv. Funct. Mater (2026): e74811.

1. 朱孔军，南京航空航天大学航空学院教授、博士生导师，兼任航空航天结构力学及控制全国重点实验室副主任。2005年于日本国立高知大学获得博士学位，曾任日本东北大学助理教授。研究领域面向锌离子电池电极材料、碳纤维复合材料结构储能、压电/铁电功能材料、锂/钠离子、全固态电池关键材料、光纤监测等，在Adv. Mater.，Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater, Nano Energy, J. Mater. Chem. A等期刊上发表SCI论文200余篇。先后入选教育部新世纪优秀人才计划、江苏省 “333高层次人才培养工程” 第二层次等。

2. 刘鹏程，东南大学青年首席教授、博士生导师。获国家级高层次青年人才项目、江苏省特聘教授、德国洪堡学者、HW紫金青年学者等。主要从事钾离子电池、集成电路原位检测、全固态储能器件等研究。近年，以第一/通讯作者在Adv. Mater.、Angew. Chem.等知名学术期刊上发表多篇代表性论文，其中9篇被Adv. Mater.、Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.等选为封面论文；同时受邀撰写Elsevier出版的钾基电池英文专著1章节。获Young Star Researcher Gold Award by Nano Research、Best Youth Editorial Board Award by Journal of Energy Chemistry、中国颗粒学会优秀博士论文奖、江苏省颗粒学创新奖特等奖等学术奖项。任SCI期刊J. Energy Chem.客座编辑及青年编委、Nano Mater. Sci.客座编辑等学术服务。

3. 梁彭花，湖州学院智能制造学院讲师，于2024年毕业于南京航空航天大学，获博士学位。博士期间，曾获国家留学基金委资助，赴新加坡国立大学联合培养。主要从事水系电池、固态储能器件等方向研究。近年，以第一/通讯作者在Adv.Funct.Mater、Energy Storage Mater.等知名期刊上发表多篇代表性论文。