长江大学和武汉理工大学， Nano Letters观点：V2O5/VOPO4异质结诱导界面优化实现高性能水系锌离子电池

第一作者：邓世尧

通讯作者：江宇，段俊新

单位：长江大学，武汉理工大学

水系锌离子电池（AZIBs）因其高安全性和锌的高体积容量等优势成为可持续储能的研究热点，其中V₂O₅作为AZIBs正极具有高理论容量和稳定的嵌入特性，但仍面临循环稳定性不佳和倍率性能受限的挑战。这主要源于[Zn(H₂O)₆]²⁺离子在V₂O₅层间嵌入导致的结构膨胀和钒溶解，以及其本征半导体特性导致的低电导率。为解决这些问题，研究合成了V₂O₅/VOPO₄异质结构（VOP）正极材料。该异质结构通过界面晶格失配和化学键差异有效缓解脱嵌应力，并通过PO₄^3-与水分子的强氢键作用加速界面传质、降低去溶剂化能垒。此外，V₂O₅与VOPO₄的能带差异形成内建电场，显著降低Zn²⁺迁移能垒，提升离子扩散速率。该研究为高性能AZIBs正极设计提供了新思路，通过异质结构协同优化体相结构和电极界面，克服了传统钒基材料的局限性。

近日，来自长江大学的江宇副教授与武汉理工大学的段俊新教授合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Rational Design of V₂O₅/VOPO₄ Heterostructure Cathode inducing Interface Optimization for High-Rate and Long-Cycling Aqueous Zinc-Ion Batteries”的观点文章。该文章分析了现在钒氧化物作为水系锌离子电池正极，其结构的不稳定性和界面的高去溶剂化能等问题，并提出了异质结构策略的解决方案。

成功合成了由正交晶系V₂O₅和四方晶系VOPO₄组成的异质结构VOP，其相含量分别为86.5 wt%和13.5 wt%。该异质结构呈现出独特的梯度分布特征，表面富集VOPO₄，核心区域以V₂O₅为主，磷元素浓度由表及里逐渐降低。材料形貌为纳米块状，表面具有规则粗糙条纹，使其比表面积显著增加。两相之间存在大量晶格失配界面，直接证实了梯度异质结构的形成。

VOP异质结构在电化学性能上展现出显著优势：其具有更高的比容量（253.1 mAh g^-1 @ 10 A g^-1）和优异的倍率性能，这主要归因于异质结构诱导的去溶剂化能降低和改善的动力学。该材料还表现出卓越的长循环稳定性，在10 A g^-1下经过4000次循环后容量保持率高达81.2%（194.8 mAh g^-1），库伦效率接近100%，远优于纯VO电极（2000次循环后容量衰减54.7%）。循环后VOP极化极小，电荷转移动力学优异，而VO则出现严重极化和结构坍塌。

原位及非原位测试表明，VOP异质结构在充放电过程中表现出高度可逆的Zn²⁺嵌入/脱出行为，两相晶面间距变化完全可逆，结构稳定性优异。其V⁵⁺/V⁴⁺/V³⁺氧化还原反应可逆性达96.7%，且能有效抑制副反应和钒溶解。循环后材料形貌保持完整，元素分布均匀。亲水性和溶解性测试证明了VOP优异的电化学性能来源于异质结构的构筑。

通过DFT计算与实验验证，VOP异质结构的构建显著降低了材料的带隙，增强了电子电导率，并形成了界面内建电场。该电场方向性地分布于边缘与核心区域之间，有效促进了Zn²⁺的嵌入/脱出过程。此外，VOP表现出更强的亲水性，其水吸附能显著优于纯VO，且去溶剂化能垒大幅降低，证实了异质结构界面能有效优化水分子相互作用并加速[Zn(H₂O)₆]²⁺的去溶剂化过程。

江宇副教授简介：长江大学化学与环境工程学院，长期从事二次电池电极材料研究，研究内容主要涉及水系锌离子电池、锂离子电池以及新型纳米材料在储能器件中的应用及其储能机制的探索。在Nano Letters, Chemical Engineering Journal, Journal of Alloys and Compounds, Journal of Materials Chemistry A, Nano Energy等杂志上发表50余篇研究论文。

段俊新博士简介：现为武汉理工大学化学化工与生命科学学院高级实验师，研究方向为理论计算与能源化学。迄今已在Physical Chemistry Chemical Physics、Electrochimica Acta、Journal of Energy Storage等期刊发表论文10余篇。

邓世尧简介：长江大学硕士研究生、武汉理工大学在读博士研究生。研究方向为二次电池储能材料和机理研究。在Nano Letters、Chemical Engineering Journal、Journal of Alloys and Compounds等期刊上以第一作者发表论文5篇。总IF超过50，总被引超过100次。