广东工业大学孙志鹏/邵涟漪，Advanced Science: 聚阴离子正极晶格-界面双工程解锁准零应变和高倍率锌离子存储

第一作者：黄巧锋

单位：广东工业大学

传统锂离子电池存在电解液易燃、锂资源有限等问题，而水系锌离子电池因安全性高、成本低、环境友好等优势成为重要替代方案。然而，二价锌离子与正极材料之间的强静电作用导致反应动力学缓慢、电化学性能不佳，另外聚阴离子材料的低电子电导率和较高溶解性限制了其实际应用。因此，开发具有高电子导电性、快速离子扩散和优异结构稳定性的正极材料成为当前研究的关键方向。因此，本篇采用微波水热法和高温煅烧相结合的方法制备了氮掺杂碳包覆的锂掺杂Na₃V₂O₂( PO₄)₂F纳米颗粒作为高性能水系锌离子电池正极材料。

近日，来自广东工业大学的孙志鹏和邵涟漪团队在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Lattice-Interface Dual Engineering Unlocking Quasi-Zero-Strain and High-Rate Zinc-Ion Storage in Polyanionic Cathode ”的文章。该文报道了一种通过晶格与界面双重工程实现准零应变、高倍率锌离子存储的聚阴离子正极材料研究。针对水系锌离子电池（AZIBs）中正极材料电子电导率低、反应动力学缓慢的瓶颈问题，研究团队采用微波水热辅助高温煅烧法，成功制备了锂掺杂并包覆氮掺杂碳的Na₃V₂O₂(PO₄)₂F纳米颗粒（N_2.85Li_0.15VOPF@NC）。该材料展现出优异的电化学性能：在0.5 A g⁻¹下循环80次后容量达151.9 mAh g⁻¹，在5 A g⁻¹下循环4000次后仍保持47.2 mAh g⁻¹，软包电池在1 A g⁻¹下循环700次后容量为56.4 mAh g⁻¹。研究通过原位XRD、非原位XPS/TEM及理论计算等手段，揭示了材料在循环中仅1.04%的超低体积变化率（准零应变特性）和可逆的Zn²⁺嵌入/脱出机制。Li掺杂与碳包覆的协同作用有效提升了电子电导率、降低Zn²⁺迁移势垒，并释放晶格应变，从而显著增强了电极的结构稳定性和反应动力学。该工作为开发高性能、长寿命水系锌离子电池正极材料提供了重要思路。

研究创新性地将Li⁺体相掺杂（晶格工程） 与氮掺杂碳表面包覆（界面工程） 相结合。Li⁺作为支柱离子稳定晶体框架，降低Zn²⁺迁移能垒并提升本征电导率；氮掺杂碳层则构建高速电子通道、抑制钒溶解并优化界面离子传输。二者协同作用，共同诱导材料在循环中表现出超低的体积变化率（~1.04%），即“准零应变”特性。

本研究通过锂掺杂与氮掺杂碳包覆的双重改性策略，显著提升了Na₂V₂O₂(PO₄)₂F作为锌离子电池正极材料的电化学性能。改性后的材料N_2.85Li_0.15VOPF@NC-2在0.5 A g⁻¹ 电流密度下循环80次后，放电容量提升至151.9 mAh g⁻¹。在高达5 A g⁻¹（约 38 C）的大电流下，经历4000次循环后仍能保持47.2 mAh g⁻¹ 的可逆容量，展现出卓越的高倍率性能和长循环寿命。软包电池在1 A g⁻¹ 电流下循环700次后容量仍达56.4 mAh g⁻¹，进一步验证了其实际应用潜力。

原位XRD揭示了材料在充放电过程中具有极小的体积变化（仅1.04%），表现出优异的准零应变特性和结构可逆性。非原位XPS则进一步证实了钒价态（V⁴+/V⁵+）的可逆转变与Zn²⁺的可逆嵌入/脱出机制，说明该材料在循环中具有高度稳定的电化学行为。两者共同揭示了“晶格-界面”双工程策略在实现高稳定性、高倍率锌离子存储中的关键作用。

本文通过DRT分析揭示了N_2.85Li_0.15VOPF@NC-2电极在循环过程中的动力学演变。分析结果表明，材料在首次放电过程中表现出较高的电荷转移阻抗（Rct）和锌离子扩散阻抗（Rd），这源于Zn²+与主体材料之间的强静电相互作用。然而，在第二次放电过程中，Rct和Rd显著降低，表明材料经过初次循环后发生晶格应变释放，内部应力得到缓解，从而形成了更通畅的电子与离子传输通道。同时，接触阻抗（Rs）和正极-电解液界面阻抗（RCEI）在整个循环中保持稳定且较低，证明了电极结构完整性和界面接触的良好稳定性。这些动力学证据共同阐明，Li掺杂与氮掺杂碳包覆的协同改性通过释放晶格应变、优化电荷转移动力学和离子扩散路径，显著提升了电极的高倍率性能和长循环稳定性。

Lattice-Interface Dual Engineering Unlocking Quasi-Zero-Strain and High-Rate Zinc-Ion Storage in Polyanionic Cathode

邵涟漪副教授简介：硕士生导师，2018年6月毕业于南开大学，2018年8月以“青年百人计划”人才引进广东工业大学，现任职于材料与能源学院。2021年入选“澳门青年学者计划”。主要从事锂/钠/锌离子电池、二维材料、纳米材料等领域的研究。主持国家自然科学基金青年科学基金项目、广东省基础与应用基础研究基金项目、广东省高校青年创新人才项目、广州市基础研究计划等项目10项，目前发表SCI论文120余篇，其中以第一作者及通讯作者发表SCI论文50余篇，发明专利授权3项。

孙志鹏教授简介：广东工业大学“百人计划”特聘教授, 国家级青年人才，博士生导师，材料与能源学院副院长，新能源与复合材料团队负责人。2010年博士毕业于南京航空航天大学；2009年-2013年先后在新加坡国立大学和南洋理工大学从事博士后研究。2017年至今就职于广东工业大学材料与能源学院工作。现研究工作为新型储能电池，功能复合材料和气体传感器等。迄今，以第一作者/通讯联系人发表学术论文120余篇，出版教材1部，授权国家发明专利10件。近五年主持国家自然科学基金、广东省科技厅、企业横向等10余项。