南通大学宾端/陆洪彬团队最新Nano Letters：异质结界面设计助力铁钒氧化物正极实现高倍率与长寿命水系锌电池- 大数跨境

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南通大学宾端/陆洪彬团队最新Nano Letters：异质结界面设计助力铁钒氧化物正极实现高倍率与长寿命水系锌电池

科学材料站

2025-01-17

导读：南通大学宾端/陆洪彬团队最新Nano Letters：异质结界面设计助力铁钒氧化物正极实现高倍率与长寿命水系锌电池

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文章信息

异质结界面设计助力铁钒氧化物正极实现高倍率与长寿命水系锌电池

第一作者：杜妍妍，王永康

通讯作者：宾端，陆洪彬，张盼盼

单位：南通大学，江苏大学

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研究背景

水系锌电池（AZBs）因其高安全性、低成本和优异的电化学性能而受到越来越多的关注，如何提高锌电池正极材料的倍率性能和循环寿命成为关键挑战。传统的钒基氧化物（如V₂O₅）虽然具有较高的理论比容量和丰富的多价态，但在反复锌离子嵌入过程中容易发生结构坍塌和电化学性能衰退，严重限制了其在实际应用中的前景。此外，现有的正极材料难以在高倍率条件下保持高效的锌离子传输动力学，而这一瓶颈显著制约了水系锌电池的能量密度和功率密度。

近年来，通过材料界面工程设计引入内建电场，改善锌离子扩散和电子传输性能的方法受到广泛关注。尤其是利用异质结界面的电场增强效应，有望同时优化材料的电化学反应动力学和结构稳定性。然而，目前基于异质结内建电场的正极设计仍处于初步探索阶段，相关机制和性能提升潜力有待进一步挖掘。

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文章简介

基于此，南通大学的宾端&陆洪彬团队和江苏大学张盼盼副教授合作，在国际知名期刊 Nano Letters 上发表了一篇题为“Mott-Schottky Heterojunction Modulating Iron-Vanadium Oxide for High Performance Aqueous Zinc Battery Cathodes.” 的研究文章。该文章围绕水系锌电池正极材料存在的倍率性能不足和循环稳定性较差等关键问题，提出了一种通过异质结设计优化电极性能的新策略。研究通过构建Fe_0.12V₂O₅和Fe₂V₄O₁₃的异质结，在界面处形成内建电场，从而显著提升电子传输和锌离子扩散动力学。实验结果表明，FeVO-5在倍率性能和长循环测试中表现卓越，在0.6 A g^-1电流密度下表现出高达431 mAh g^-1的比容量，且在40 A g^-1高电流密度下循环12,000次后容量保持率高达95%。同时，该材料在80 A g^-1超高倍率下仍能实现252.3 mAh g^-1的优异容量，这一性能远超传统钒基正极材料。结合XRD、拉曼光谱、XPS等多种表征手段，深入揭示了锌离子嵌脱过程中的动态反应机制。此外，理论计算进一步验证了异质结内建电场对电子结构优化的关键作用，为水系锌电池的高效储能应用提供了新的技术方案和理论支持。

图1. Mott-Schottky氧化物异质结正极组装的水系锌电池示意图

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本文要点

要点一：Mott-Schottky异质结铁-钒氧化物的设计与合成

本研究利用MIL-88A模板结合原位蚀刻策略，成功合成了FeVO-5 Mott-Schottky异质结材料。该材料由Fe_0.12V₂O₅和Fe₂V₄O₁₃混合相构成，通过异质结界面形成的内置电场，显著优化了电子结构和带隙特性，降低了反应能垒。此外，该方法通过调控钒含量，实现了多孔结构的均匀分布，为锌离子的快速扩散和电子高效传输提供了理想的材料平台。

要点二：内置电场与介孔结构协同优化电化学性能

FeVO-5的内置电场通过在Fe_0.12V₂O₅和Fe₂V₄O₁₃界面诱导电子重新分布，改善了电子传输能力和锌离子扩散速率。同时，其多孔结构显著提高了锌离子传输特性。实验结果显示，FeVO-5正极在0.6 A g^-1下比容量高达431 mAh g^-1，在80 A g^-1下仍保持252.3 mAh g^-1的容量。经过40 A g^-1下12000次循环后，容量保持率达到95%，展现了卓越的倍率性能和循环稳定性。此外，高比例的赝电容贡献（92%）进一步提升了其快速反应动力学性能，表明该材料在高功率电池应用中具有巨大潜力。

要点三：基于理论模拟的结构优化与性能提升机制

通过密度泛函理论（DFT）计算，揭示了Fe₂V₄O₁₃相在界面锌离子吸附与电子传输中的核心作用。Fe₂V₄O₁₃的高吸附能和较强的电荷分布均匀性显著增强了锌离子的存储能力和传输效率。此外，DFT模拟进一步表明异质结内电子的重新分布机制改善了整体电化学性能，为设计高性能水系锌电池材料提供了新的理论依据。

图2. (a) FeVOx样品的制备示意图；(b, c) FeVO-1的SEM和TEM图；(d, e) FeVO-1的HRTEM图及STEM-EDS元素分布图；(f, g) FeVO-5的SEM和TEM图；(h, l) FeVO-5的HRTEM图像及STEM-EDS元素分布图（插图：SAED图）。

图3. (a) FeVOx样品的XRD图谱；(b) FeVO-5的晶体结构；(c) FTIR光谱；(d) FeVO-1（Fe_0.12V₂O₅）和Fe₂V₄O₁₃样品的UPS光谱截止区域（Ecutoff)；(e, f) Fe_0.12V₂O₅/ Fe₂V₄O₁₃异质结接触前后的Mott-Schottky型接触示意图；(g) Fe 2p和 (h) V 2p的高分辨XPS光谱；(i) FeVO-5和FeVO-1的总态密度（DOS）。

图4. (a) 0.1 mV s^-1下的CV曲线；(b) 放电/充电曲线和 (c) 在0.6 A g^-1下的循环性能；(d) 典型的放电/充电曲线和 (e) 不同电流密度下的倍率性能；(f) 基于正极材料的锌离子电池钒基电极能量密度和功率密度对比；(g) 在40 A g^-1下的长循环性能。

图5. (a) FeVO-ZIBs在0.1到1 mV s^-1扫描速率下的CV曲线；(b) 阴极和阳极峰电流对数与扫描速率对数的关系图；(c) 0.1 mV s^-1下的CV曲线中电容贡献部分；(d) 不同扫描速率下的电容贡献比例；(e, f) FeVO-1和FeVO-5的放电/充电GITT曲线；(g, h) Fe_0.12V₂O₅（001）和Fe₂V₄O₁₃（001）平面的电荷密度分布图。

图6. (a) 在0.6 A g^-1电流密度下前两次循环的放电/充电曲线；(b, c) 不同放电/充电阶段的非原位XRD图谱以及 (d) 原位拉曼光谱和对应充放电曲线图；(e, f) 完全放电和充电状态下V 2p和Zn 2p的非原位高分辨XPS光谱。

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结论

本研究通过构建Fe_0.12V₂O₅和Fe₂V₄O₁₃的异质结，开发了一种具有内建电场的铁钒氧化物正极材料FeVO-5。实验结果表明，该材料显著提升了水系锌电池的倍率性能和循环稳定性。在0.6 A g^-1电流密度下，比容量达到431 mAh g^-1；在40 A g^-1的高电流密度下经过12,000次循环后，容量保持率高达95%。此外，即使在80 A g^-1的超高倍率条件下，FeVO-5仍能展现出252.3 mAh g^-1的优异容量。通过XRD、拉曼光谱和XPS等多种表征手段，深入揭示了锌离子嵌脱过程中的晶格动态变化和化学机制，同时验证了异质结内建电场在优化电子结构和传输性能中的关键作用。理论计算进一步支持了该材料在提升锌电池反应动力学和电化学稳定性方面的独特优势。该研究不仅为铁钒氧化物的电极设计提供了新思路，还为其他过渡金属氧化物正极材料的开发和高性能水系锌电池的应用提供了重要的技术指导与理论支持。

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文章链接

Mott-Schottky Heterojunction Modulating Iron-Vanadium Oxide for High Performance Aqueous Zinc Battery Cathodes.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04752

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通讯作者简介

宾端副教授：复旦大学理学博士，师从夏永姚教授，江苏省双创博士，南通大学化学化工学院副教授。目前主持完成国家自然科学基金青年基金、江苏省青年科学基金和南通市科技项目等纵向项目3项。主要研究方向为新型化学电源储能体现构建和水系二次电池研究，目前共发表 SCI 收录论 80 余篇，其中第一作者或通讯作者近 30 篇，包括 Chem., Adv. Energy Mater, Adv. Funct. Mater., Chem. Eng J., J. Mater. Chem A.等国际知名期刊，其中高被引论文 3 篇，总引用次数超过 3000次，H 指数大于 15。第一发明人申请发明专利6件，授权2件，受聘Exploration 杂志青年编委，担任Adv. Funct. Mater, J. Colloid Interface Sci，Journal of Power Source 等国际期刊审稿人。

陆洪彬教授：南通大学教授，南京大学工学博士，入选江苏省333高层次人才培养对象、江苏省六大人才高峰高层次人才、江苏省双创博士、南通市江海英才。主要从事新型高分子材料、涂层材料、新型电极材料的设计、制备及应用研究工作。主持国家自然科学基金青年基金、面上项目、江苏省科技支撑计划等纵向科研项目8项；与近20家企业联合开展技术研发和成果转化工作，入选江苏省科技副总；获教育部科技进步二等奖4项，江苏省科学技术三等奖1项，中国石油与化学工业联合会科技进步二等奖1项，江苏省住房与城乡建设厅科技成果二等奖1项，累计申请专利技术110余件，发表高水平SCI论文30余篇；担任Electrochimica Acta、Materials Chemistry and Physics、Surface and Coatings Technology、Applied Surface Science、Journal of Industrial and Engineering Chemistry等国际期刊特约审稿人，受聘江苏省物理学会理事、江苏省硅酸盐学会理事。