AFM综述：用于实际应用的水系锌离子电池的钒酸铵基正极：机理、优化与挑战

第一作者：刘金杭、王亚江

通讯作者：陈修栋，吴传宝，高云，肖遥

单位：九江学院，安徽大学，温州大学

水系锌离子电池（AZIBs）因其高安全性、低成本及环境友好性，已成为极具发展潜力的重要电池技术之一。其规模化应用的核心瓶颈，在于正极材料的电化学性能。其中，钒酸铵（NVO）基正极材料凭借独特的层状结构、可控的离子传输通道及多电子特性，展现出优异的储锌性能。然而，该类材料的实际应用仍受多重因素制约：层间结构易坍塌、本征导电性低、Zn²⁺扩散动力学迟缓，且易产生副产物，这些问题阻碍了其产业化发展。本综述旨在阐明 NVO基材料的结构特征与储锌机理，并对上述关键挑战进行深入剖析。同时，系统阐述了各类改性策略的作用机制及其优劣势，进一步梳理了性能优化的核心路径。最后，对AZIBs领域中NVO基材料的未来研究方向进行展望，不仅为开发高性能AZIBs正极材料提供新思路，更有望为AZIBs的产业化推进奠定关键基础。

近日，来自九江学院的陈修栋教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Ammonium Vanadate-Based Cathodes for Practical Aqueous Zinc-Ion Batteries: Mechanisms, Optimization, and Challenges”的综述文章。该综述系统总结了钒酸铵（NVO）基水系锌离子电池（AZIBs）正极材料的结构特征与储锌机理，分析了其实际应用中的关键挑战及对应的改性策略。首先介绍了NVO独特的优势。随后，系统综述了NVO基正极现存的问题，并详细阐述了改性策略的作用机制与效果，还展望了多策略协同优化、适配电解液开发及先进表征技术应用的未来方向。该综述为AZIBs领域高性能NVO基正极材料的研发及AZIBs产业化推进提供了重要理论参考与科学指导。

在钒基正极材料中，NVO凭借独特的二维层状结构与可调离子传输通道具备突出优势，其较大层间距为锌离子快速嵌入创造了有利环境，有效提升材料电化学性能。但NVO仍存局限：NVO在循环过程中可能会发生溶解，这会释放出与钒相关的多种可溶性离子。溶解问题会直接导致容量的不可逆损失以及活性物质的损失，严重损害了电池的长期循环稳定性。低电导率导致电极界面的电荷转移受阻，从而减缓反应动力学，进而限制了电池在高功率水平下的输出功率。Zn²⁺因与NVO体系中V─O框架的强库仑/配位相互作用导致扩散动力学迟缓、离子迁移能垒升高，进而引发晶格畸变与坍塌并加速电极失效。循环中生成的副产物会消耗活性材料与电解质，还会在电极表面形成绝缘层，制约NVO基AZIBs正极的实际应用开发。

为了解决长期以来在高比容量与高稳定性之间取得平衡这一难题，可以通过扩大材料晶格内的离子传输路径并减轻静电相互作用来降低离子插入的能量障碍。也通过抑制晶体结构的溶解和防止有害的副反应来稳定材料界面。因此研究者开发了多种优化策略：离子插层引入金属阳离子作层间“支柱”，扩层间距并稳结构；有机插层用分子构建导电通道；缺陷工程调控空位，提升活性位点与动力学性能；复合材料复合多功能组分，缩短传质路径且抑副反应。这些策略多维度提升NVO电化学性能，为高性能AZIBs正极研发提供支撑。

钒酸铵（NVO）作为水系锌离子电池（AZIBs）正极材料的研究已取得显著进展，使其成为下一代大规模储能应用的极具潜力候选材料。钒酸铵（NVO）基正极材料凭借独特的层状结构、可控的离子传输通道及多电子特性，展现出优异的储锌性能。然而，该技术的发展仍受限于多项关键挑战，如结构不稳定、本征导电性差、离子扩散速率低以及副产物生成等。研究者已系统采用离子插层、有机分子插层、缺陷工程及复合材料设计等改性策略来应对这些挑战。这些策略除提升结构稳定性与电化学动力学性能外，助力开发高性能AZIBs正极材料。要使AZIBs实现商业化，仅依赖NVO材料改性无法达成这一目标。因此，未来研究需通过多策略协同优化、开发适配电解液及应用先进表征技术，以满足研究需求。AZIBs有望通过综合措施突破当前技术瓶颈，加速商业化进程。

Ammonium Vanadate-Based Cathodes for Practical Aqueous Zinc-Ion Batteries: Mechanisms, Optimization, and Challenges

刘金杭，九江学院教授，硕士生导师，其研究方向聚焦于电催化反应机理及可充电电池储能材料的研究。

王亚江，北京化工大学与九江学院联合培养硕士研究生，其研究方向聚焦于水系锌离子电池先进电极材料的设计与合成。