吉林大学-郑伟涛/张伟教授， EnSM综述：水系多价金属离子电池层状结构材料的研究进展

第一作者：李景娟 （博士研究生）

通讯作者：张伟* （教授），郑伟涛* （教授）

单位：吉林大学

水系多价金属离子电池（ARMMBs）由于其高能量密度和安全性、低生产及维修成本而受到了广泛关注。相比于非层状结构材料，层状结构材料由于其可控的层间距而被认为是最具潜力的ARMMBs活性电极材料之一。层状结构材料包括石墨烯、钒基氧化物、其他过渡金属氧化物及过渡金属硫属化合物等作为电极材料在ARMMBs中的应用已被广泛研究。本综述文章阐述了ARMMBs用层状结构材料的研究进展、面临的挑战、改善措施以及未来的研究方向。

图1 通过预嵌入离子和（或）分子对层状材料的层间距进行调制。

基于此，来自吉林大学的郑伟涛、张伟教授，在Energy Storage Materials上发表题为“Spreading the full spectrum of layer-structured compounds for kinetics-enhanced aqueous multivalent metal-ion batteries”的综述文章。

该论文总结和讨论了层状结构电极材料（包括石墨烯、钒基氧化物、其他过渡金属氧化物及过渡金属硫属化合物等）的研究进展，阐述了典型层状结构材料的晶体结构，并提出了一些改善策略和未来的研究方向。

图2. ARMMBs中常用的层状结构电极材料

层状材料的开放结构不仅可以为多价金属离子和（或）质子的反应提供大量的活性位点，而且可以为“客体”离子（分子）的预嵌入提供空间。过量的“客体”对象的预嵌入可能会引起结构的变化，从而导致材料的不稳定；而其量过少可能会导致较差的电化学性能。因此，为准确探究电池运行过程中层状结构材料的反应机理以及最优的“客体”选择和嵌入量，对晶体结构进行深入了解是必不可少的。

要点二：水系锌离子电池

水系锌离子电池（AZIBs）中常用的层状结构电极材料包括：钒基氧化物、层状锰基氧化物、MoO₃以及TMDs。层状结构材料在AZIBs中的应用已被广泛研究并取得巨大进展，但是其发展仍面临着结构坍塌、导电性差、活性物质溶解等不可避免的挑战。通过“客体”对象的预嵌入、缺陷工程的构建、与导电物质复合等方法，有助于实现材料的高结构稳定性和快速锌离子传输动力学，从而确保优异的电化学性能。

要点三：水系镁离子和铝离子电池

水系镁离子和铝离子电池的发展同时受制于阴极材料的构建以及阳极材料的兼容性。由于水系电解液的电化学窗口较窄（~1.23 V vs. SHE），金属镁和铝在水系电解液中面临严重的腐蚀和分解问题。因此，对于水系镁离子和铝离子电池而言，对阳极材料的研究是必不可少的。

要点四：展望

水系多价金属离子电池层状结构材料的研究和发展虽已取得巨大进展，但是要实现商业化及产业化仍存在许多挑战。为促进层状结构材料以及水系多价金属离子电池的进一步发展，本文从材料优化、先进原位表征测试技术、电池系统其他影响因素和反应机理探究等方面进行讨论，对未来的研究方向提出建议。

Spreading the full spectrum of layer-structured compounds for kinetics-enhanced aqueous multivalent metal-ion batteries

张  伟，2004年获得中国科学院金属研究所博士学位，而后在日本NIMS，韩国SAIT，德国FHI-MPG和丹麦DTU、西班牙能源协作研究中心从事合作或独立的科学研究。2014年任吉林大学特聘教授（2020起，唐敖庆学者-领军教授）；自2017年起担任吉林大学电子显微镜中心副主任、执行主任、主任。目前主要研究方向为先进能源材料和催化剂的表界面。

李景娟，2021年毕业于上海电力大学，获硕士学位。现为吉林大学郑伟涛、张伟教授指导下的博士研究生。目前主要研究方向为水系电池电极材料的研究和应用。

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