V2O5正极新解读：无干扰表征技术揭示插层化学与电池演化

第一作者：李先进

通讯作者：傅强*，李先锋*

单位：中国科学技术大学，中科院大连化物所

V₂O₅由于具有理论比容量高(589 mA h g^-1)、层间距可调、容易制备等特点，是一种具有应用前景的水系锌离子电池正极材料。研究者在基于V₂O₅的新型正极材料开发方面做了大量努力，性能得到了不同程度地提升。然而，对于初始V₂O₅的储能机理研究较少，尤其是关于电池循环过程中各插层物种(Zn²⁺, H₂O, H⁺)的插层顺序、比例、以及容量贡献与物相演化的关系存在争议。

近日，来自大连化物所的傅强研究员与李先锋研究员合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Unveiling Intercalation Chemistry via Interference-Free Characterization Toward Advanced Aqueous Zinc/Vanadium Pentoxide Batteries”的研究文章。该文章针对传统电极材料在表征过程中容易受到导电碳、粘结剂以及材料颗粒堆垛结构吸附残留电解液的干扰，导致表征结果不准确的问题（尤其对于表面敏感的表征技术如TOF-SIMS、XPS等），通过磁控溅射的方式制备模型电极，构建了与实际电池具有相同电化学行为的模型电池以研究V₂O₅的储能机理。作者借助氩离子团簇刻蚀技术对模型电极表面做无损清洁，实现了“无扰表征”以获得准确的表征结果。

作者首先研究了实际纽扣电池V₂O₅的性能特点，表明在循环过程中其经历了容量先增加后衰减的过程，通过多种表征结果证实容量增加过程是由于V₂O₅向V₂O₅·nH₂O的转变，而容量衰减是由于Zn₃(OH)₂V₂O₇ ·2H₂O的生成并逐渐积累。

借助模型电极，以18O 标记的H₂¹⁸O为溶剂配制电解液，通过TOF-SIMS对不同充放电阶段Zn²⁺, H₂¹⁸O, H+的插层路径进行跟踪，结合XPS结果表明，在放电时H+优先嵌入V₂O₅层间，促进了后续Zn²⁺和H₂¹⁸O的插层；H₂¹⁸O充电时不可逆脱出层间导致V₂O₅向V₂O₅·nH₂O的转变。容量增加的活化过程是从材料颗粒表层逐步向内层完成。

对不同充放电阶段的模型电极样品进行XPS定量分析，表明放电过程中开路电压到0.6 V的高电位区间以H⁺贡献主要容量，继续放电到0.2 V，则以Zn²⁺贡献主要容量，且在放电时Zn²⁺是以部分脱溶剂化的形式嵌入层间；充电时，0.2 V到1.0 V区间，H⁺是以H₃O⁺的形式脱出层间，继续充电到1.6 V，主要发生Zn²⁺脱出层间。

借助模型电极平整且组分单一的特点，通过原位光学显微镜观测了Zn₃(OH)₂V₂O₇ ·2H₂O的生成过程，结果表明除了钒溶解与沉积反应以外，充电时Zn²⁺在层间不可逆脱出导致的层间积累也是改结构生成的重要原因。此外，系统分析了pH值、酸种类对Zn₃(OH)₂V₂O₇ ·2H₂O生成的影响。

Unveiling Intercalation Chemistry via Interference-Free Characterization Toward Advanced Aqueous Zinc/Vanadium Pentoxide Batteries

傅强，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师，纳米与界面催化研究中心主任，中国化学会会士。获得国家自然科学基金杰出青年基金资助，入选创新人才推进计划和第四批国家“万人计划”，获得全国创新争先奖牌（团队，核心成员）、辽宁省自然科学一等奖、国家自然科学一等奖等奖励。目前担任Journal of Physical Chemistry Letters副主编，以及多家国际期刊的编委会成员。主要研究方向为催化与表界面化学，发展和利用先进的表面与界面研究方法在原子和分子层次上理解多相催化和电化学反应过程，探讨多相催化和能源化学中的微观反应机制并实现表界面调控。

尤其重视发展和利用多种先进的表界面表征手段（XPS，STM，PEEM/LEEM，AFM，同步辐射技术，光谱技术等）原位、动态、实时监测气固和液固界面结构变化和反应过程。具体包括界面效应（如SMSI作用，界面限域效应等）在重要催化反应（如甲烷干重整，CO加氢，CO2加氢，氨合成，CO氧化等）中的作用，模型氧化物体系中的CO和H2等分子活化机制，电化学器件（离子电池，超级电容器等）的在线表界面表征，近常压表面表征新技术的开发等方向。课题组长期招收优秀博士生和博士后，待遇优渥，研究所科研和生活配套设施齐备，有意者可将个人简历发送至qfu@dicp.ac.cn。

李先锋，中国科学院大连化学物理研究所研究员、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。现任大连化学物理研究所副所长、储能技术研究部部长。长期从事电化学储能技术的研究开发工作。迄今为止，在Nature Energy, Nature Sustain. Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Soc. Rev.等杂志发表SCI论文200余篇论文，引用大于15000余次。担任Science Bulletin, Sustainable Energy & Fuels (RSC), J. Energy Chem., Sustainability，储能科学与技术等杂志的编委， Renewables、Chinese Chemical Letters等杂志副主编。申报发明专利200余项，国际专利12项。作为负责人主持国家科技部973计划课题、中科院先导专项、国家自然科学基金，中组部青年拔尖人才计划项目、中科院重要方向性项目等多项项目与课题。