薛卫东教授、韩飞副研究员、刘瑶研究员，CEJ：原位电化学活化商业V2O5正极实现高性能水系锌离子电池- 大数跨境

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薛卫东教授、韩飞副研究员、刘瑶研究员，CEJ：原位电化学活化商业V2O5正极实现高性能水系锌离子电池

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2025-09-12

导读：薛卫东教授、韩飞副研究员、刘瑶研究员，CEJ：原位电化学活化商业V2O5正极实现高性能水系锌离子电池

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文章信息

原位电化学活化商业V₂O₅正极实现高性能水系锌离子电池

第一作者：郑常义

通讯作者：韩飞*，刘瑶*，薛卫东*

单位：江西省科学院能源研究所，中国科学院上海应用物理研究所，电子科技大学

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研究背景

水系锌离子电池（AZIBs）采用水性电解液，具有安全性高、成本低、环境友好等优势。锌金属负极理论容量高（820 mAh g⁻¹）、氧化还原电位低（-0.76 V vs. SHE），且在水相中稳定性良好，使其在大规模储能中具备应用潜力。然而，AZIBs的发展受限于正极材料，尤其是钒基化合物存在的溶解、结构不稳定和离子扩散动力学缓慢等问题，导致容量衰减快、循环寿命短。目前改性策略多集中于材料本身，缺乏对电极—电解质界面作用的系统研究。此外，传统钒基材料合成方法能耗高、流程复杂，制约其规模化制备与应用。

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文章简介

近日，来自电子科技大学的薛卫东教授与中国科学院上海应用物理研究所的刘瑶研究员和江西省科学院能源研究所的韩飞副研究员合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“In situ electrochemical activation of commercial V₂O₅cathodes enabling high-performance aqueous zinc-ion batteries”的研究文章。该研究揭示了V₂O₅正极的原位电化学活化机理，同时通过电解液设计诱导V₂O₅向Zn₃V₂O₇(OH)₂·2H₂O/Na₂V₆O₁₆·3H₂O混合相转变，活化后的正极在1 A g⁻¹下具有264 mAh g⁻¹的高比容量，并且在活性物质负载量高的条件下成功活化正极，制备的软包电池在1 A g⁻¹下具有12.66 mAh的可逆容量。

图1. a) Zn||V₂O₅电池在ZSO-Na和ZSO电解液中的长循环稳定性；b) 相应比容量的对比；c) 250次循环后正极材料的CV曲线；d) ZSO-Na中活化后正极材料中Zn²⁺的扩散系数；e) 倍率性能；f, g) 不同体系相应的充放电曲线；h) 不同正极材料倍率性能的对比。

图2. a, b) Zn|| V₂O₅电池的弛豫时间分布分析结果；c, d) 不同电解液中正极材料在活化过程中的XRD图谱；e–g) 1500次循环后正极材料的XPS谱图；h, i) ZSO-Na电解液及 j, k) ZSO电解液中正极材料的TEM图像及EDS元素分布表征。

图3. ZSO-Na电解液中活化后正极的结构分析。a) 原位XANES表征过程示意图；b-d) 正极在充放电过程中的XANES结果；e) 正极的非原位XRD图谱。

图4. V₂O₅正极在a) ZSO-Na和b) ZSO电解液中浸泡后的光学照片；c–e) ZSO-Na及f–h) ZSO电解液中浸泡后正极表面的SEM图像；i) 正极在ZSO-Na电解液中的原位拉曼光谱；j) V₂O₅在ZSO电解液中浸泡3天后所得上清液的51V NMR谱；k) 正极在ZSO-Na和ZSO电解液中浸泡14天后的XRD图谱。

图5. a) 三种钒氧化物的结构模型及形成能；在1 A g⁻¹电流密度下循环500次后，Zn|| V₂O₅电池在b) ZSO-Na和c) ZSO电解液中的自放电测试结果；d) 不同电解液中电池经过四次自放电测试的库仑效率；e) ZSO-Na电解液中软包电池活化过程的循环性能及f) 充放电曲线；g) 活化后软包电池的长循环性能。

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本文要点

要点一：电解液设计实现正负极同时调控

传统的锌离子电池电解液通常为硫酸锌水溶液，钒基正极在其中面临着严重的溶解、结构坍塌等问题，导致电池容量快速衰减。本研究创新性地在2M ZnSO₄电解液中引入了1 M Na₂SO₄作为添加剂，构建了混合电解液（ZSO-Na）。这种设计不仅成本极低，更重要的是起到了“一石二鸟”的作用。一方面，Na⁺在正极侧参与了新相的构建，另一方面在锌负极表面通过静电屏蔽效应引导锌均匀沉积，有效抑制枝晶生长，同步提升了正负极的稳定性和电池的整体寿命。

要点二：原位诱导构筑稳定双相异质结构

本研究最核心的发现在于，混合电解液能够在电池最初的充放电循环过程中诱导商业V₂O₅发生原位电化学重构。通过多种原位/非原位表征手段，研究团队发现该过程最终形成了Zn₃V₂O₇(OH)₂·2H₂O（ZVO）和Na₂V₆O₁₆·3H₂O（NVO）共存的双相异质结构。其中，NVO相具有更高的比容量并提供了稳定的结构框架，使得活化后的电极在1A g⁻¹的电流密度下，比容量高达264 mAh g⁻¹。

要点三：显著抑制钒溶解，保障长循环寿命

钒在电解液中的溶解是导致钒基正极容量衰减的首要原因。本研究通过浸出实验、ICP-OES元素分析及51V NMR核磁测试等多种方法证实，Na₂SO₄添加剂的引入极大地抑制了V₂O₅的溶解。其机理在于，溶解出的钒氧基团（VO₂(OH)²⁻）会迅速与电解液中的Na⁺结合，在正极表面重新沉淀形成稳定的NVO相，从而阻断了钒的持续溶解和流失路径。正是得益于这一机制，电池在经历1500次循环后，容量保持率仍高达78%，远超传统电解液体系（32%）。

要点四：机理阐释与实际应用验证

本研究通过原位XANES、原位Raman等先进的表征技术，深度揭示了Zn²⁺/Na⁺在充放电过程中的嵌入/脱出行为与价态变化，清晰阐述了双相结构的储能机理。此外，团队成功制备了容量为12.66 mAh的软包电池。测试结果表明，该软包电池在经历100次循环后容量几乎无衰减，充分验证了本策略在实际应用中的巨大潜力和可行性，为大规模储能应用提供了坚实的数据支撑。

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文章链接

“In situ electrochemical activation of commercial V₂O₅cathodes enabling high-performance aqueous zinc-ion batteries”

https://authors.elsevier.com/c/1ljRS4x7R2oEXc

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.167689

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通讯作者简介

韩飞副研究员简介：电子科技大学博士（后），副研究员，入选赣鄱俊才支持计划——主要学科学术和技术带头人（青年），主要从事新能源材料及器件研究，以第一/通讯在Journal of Materials Science & Technology、Chemical Engineering Journal等期刊上发表SCI论文近20篇，以第一发明人授权中国/国外发明专利9项（转化1项），主持或骨干参与国家级、省部级项目10余项；担任深圳、广西、江西等地科技项目论证/评审/验收专家；担任Tungsten、Progress in Natural Science: Materials International、cMat等期刊青年编委。

薛卫东教授简介：四川大学博士、电子科技大学博士后，曾留学日本广岛县立大学，现为四川省学术技术带头人后备人选，国家科学技术奖评审专家，科技部广东省科技特派员。近年来，先后主持了6项省级科研课题，主研了5项国家级课题及多项横向项目；公开发表论文40多篇，其中SCI收录14篇；申请专利7项，授权3项；编著专著教材各1部。现主要从事新能源材料与器件、低维碳材料制备及其应用等方面的研究。