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文 章 信 息
动力学增强的硒掺杂二氧化钒正极用于稳定的锌-钒软包电池
第一作者：李叶安
通讯作者：郭珊*，曾林*，方国赵*，樊新*
单位：桂林理工大学，贵州大学，中南大学，南方科技大学
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研 究 背 景
面向大规模储能的迫切需求，水系锌离子电池（AZIBs）凭借高安全、低成本、环境友好等优势，成为最具潜力的下一代储能体系。钒基氧化物因开放晶体结构、多价态特性与高理论容量，被视为理想正极材料。然而，在高负载、厚电极的软包电池实际应用中，钒基正极仍面临三大瓶颈：（1）本征电子导电性差，电子传输受限；（2）Zn2+扩散动力学缓慢，高负载下离子传输阻力剧增；（3）循环过程中结构易坍塌、活性物质溶解，导致容量快速衰减。
尤其在软包电池中，高载量电极易形成电子/离子“死区”，极化显著加剧，严重制约锌-钒软包电池的商业化应用。因此，同步提升电子导电性与离子扩散动力学、强化结构稳定性，是实现高性能锌-钒软包电池的关键科学问题。
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文 章 简 介
近日，来自桂林理工大学樊新教授与中南大学方国赵教授等人合作，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表了题为“Selenium-doped VO2 cathode with enhanced kinetics towards stable zinc-vanadium pouch batteries”的重要研究成果。
该研究针对高负载水系锌-钒软包电池的核心瓶颈，提出硒（Se）掺杂改性策略，实现对VO2电子结构与晶格环境的同步精准调控，显著提升电子导电性与Zn2+扩散动力学，最终构建出兼具高倍率、长寿命、高柔性的锌-钒软包电池，为高性能水系锌-钒软包电池的开发提供了有效的材料设计路径。
图一：VO2-Se的制备流程及结构表征。
图二：软包电池性能
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本 文 要 点
本文提出了一种通过硒掺杂策略同步优化正极材料电子结构与晶格环境的有效方法。引入的Se2-离子不仅扩大了晶格间距、优化了电荷分布，还显著降低了Zn2+的扩散能垒（DFT计算显示从0.27 eV降至0.14 eV），并缩小了材料带隙（从0.83 eV降至0.73 eV），从而同时提升了电子导电性和离子扩散动力学。得益于此，所制备的VO2-Se2正极在扣式电池中展现出优异的锌存储性能：在0.3 A g-1下比容量高达432.3 mAh g-1，在5 A g-1的高电流密度下循环5000次后仍能保持271.3 mAh g-1的比容量。更为重要的是，该策略在高载量软包电池中也取得了突破性进展，在1 A g-1下循环 450次后容量保持率高达99%，并展现出优异的机械柔性，为开发高容量、高稳定性的水系锌-钒软包电池提供了切实可行的材料设计新思路。
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研 究 亮 点
1·Se掺杂实现电子结构与晶格环境双调控Se2-有效掺入VO₂晶格，扩大层间距、优化电荷分布，将Zn2+扩散能垒从0.27 eV降至0.14 eV，同时带隙由0.83 eV缩小至0.73 eV，实现电子传导与离子扩散的同步增强。
2·扣式电池表现出优异的倍率与长循环性能最优样品VO2-Se2在0.3 A g-1电流密度下，比容量高达432.3 mAh g-1；在5 A g-1大电流下循环5000次，仍稳定释放271.3 mAh g-1高比容量，循环稳定性突出。
3·高负载软包电池取得突破性进展基于VO2-Se2正极组装的高负载（~6 mg cm-2）软包电池，在1 A g-1下循环450圈，容量保持率高达99%，并展现出优异机械柔性，为实用化、高性能水系锌-钒软包电池提供了可行方案。
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文 章 链 接
“Selenium-doped VO2 cathode with enhanced kinetics towards stable zinc-vanadium pouch batteries”
https://doi.org/10.1039/d5ta10606k
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通 讯 作 者 简 介
樊新教授简介：桂林理工大学材料科学与工程学院教授、硕士/博士研究生导师。本科、硕士和博士均毕业于中南大学。2010年加入桂林理工大学。长期从事超级电容器、水系锌离子电池、锂/钠离子电池电极材料的功能设计、可控合成、构效关系及器件应用研究。重点开展以生物质材料为原料合成锂/钠离子电池与超级电容器用新型电极材料和电化学反应机理、微纳米化学电源器件的组装及其在能源材料和生物传感器等方面的应用。相关研究成果发表在Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Small Methods、Small、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Energy Storage、Composites Communications、Journal of Alloys and Compounds、International Journal of Minerals Metallurgy and Materials等国际知名期刊，累计发表SCI论文60余篇。担任Advanced Functional Materials、Chemical Engineering Journal、Small Methods、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Energy Storage、Journal of Alloys and Compounds等多家权威期刊审稿人。
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