西安建筑科技大学李舒越、王娟教授J. Power Sources观点：原位电化学诱导非晶态转变解锁高性能水系锌离子电池

第一作者：李舒越，米倩茹

通讯作者：李舒越*，王娟*

单位：西安建筑科技大学

水系锌离子电池(AZIBs)凭借其安全可靠、成本低廉和易于制造等优势吸引了研究者们的广泛关注，在大规模储能及柔性电子设备中展现出广泛的应用前景。在众多正极材料中，锰基氧化物和钒基氧化物分别因其高工作电压和高理论比容量而受到关注，然而，锰氧化物和钒氧化物面临着元素溶解、结构稳定性差和动力学性质缓慢等问题，限制了其循环和倍率性能的进一步提升。非晶材料因其各向同性离子扩散路径和丰富的活性位点，而被认为是提升材料可逆容量、倍率性能和循环寿命的有效方法。然而，无定形材料的合成工艺复杂，难以实现规模化生产。因此，利用简单有效的合成策略来构建具有优异储锌性能的非晶材料仍然具有挑战性。

近日，西安建筑科技大学李舒越、王娟教授团队在国际知名期刊J. Power Sources上发表题为“Unlocking the potential of spinel MnV₂O₄ for highly durable aqueous zinc-ion batteries”的观点文章。该观点文章通过原位电化学方法诱导了尖晶石结构MnV₂O₄的晶体结构重构，实现了其由晶态向非晶态的转化，成功激活了MnV₂O₄的电化学活性。

通过简易的溶胶-凝胶法制备了鹅卵石形貌的MnV₂O₄纳米颗粒，小尺寸纳米颗粒增大了材料的比表面积，有利于暴露更多活性位点，保证了活性物质与电解液之间良好的界面接触，从而促进电子和离子的快速传输。然而，区别于研究广泛的层状和隧道状结构的电极材料，尖晶石结构的MnV₂O₄没有锌离子存储位点，因此不适合应用于水系锌离子电池。

通过原位电化学策略，激活了MnV₂O₄电极材料的电化学活性。在0.1 A g^-1小电流密度下，MnV₂O₄展现出445 mAh g^-1的可逆比容量，远高于其理论比容量（242 mAh g^-1），在5 A g^-1的电流密度下，经过2000次循环，容量保持率高达73.1%。此外，基于正极侧质量，电池的能量密度达到335 W h kg^-1，功率密度达到176 W kg^-1。

通过非原位XRD、XPS、HRTEM表征揭示了材料的结构演变过程及储能机理。首次充电过程，Mn²⁺从晶格中脱出，MnV₂O₄晶体结构重构，由长程有序的晶态转变为短程有序的非晶态，同时伴随副产物生成。在随后的循环中，副产物可逆分解。非晶态电极材料展现出了各向同性的离子扩散路径和丰富的离子存储位点，有利于实现快速、高效、可逆的锌离子存储。此外，MnV₂O₄的储能机制为Zn²⁺和H⁺在非晶态电极材料的共嵌入。

开发兼具高能量密度和长循环寿命的正极材料是推进水系锌离子电池商业化的重点。本工作以低价态钒氧化物，尖晶石结构MnV₂O₄为研究对象，提出了一种原位电化学诱导材料由晶态向非晶态转变，解锁尖晶石结构MnV₂O₄的锌离子存储能力，助力高性能水系锌离子电池的开发。本文为理解材料结晶性与电化学性能之间的构效关系提供了新的思路，对开发设计具有高容量和稳定循环的水系电池正极材料具有启发意义。

Unlocking the potential of spinel MnV₂O₄for highly durable aqueous zinc-ion batteries

李舒越简介：西安建筑科技大学机电工程学院，讲师，硕士生导师，入选陕西省“三秦英才”引进计划。2022年获得吉林大学理学博士学位，师从导师杜菲教授。主要研究方向为水系二次电池关键电极材料的功能化设计、调控优化及其储能机制的研究，以及新型水系二次电池体系的开发。主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目、陕西省青年人才托举等项目6项，在Adv. Sci., Chem. Eng. J., CCS Chemistry等国际著名期刊发表SCI论文10余篇。

王娟教授简介：西安建筑科技大学，教授，博导，陕西省纳米材料与技术重点实验室常务副主任，西安市清洁能源重点实验室主任，机电学院车辆所所长，陕西省青年科技新星。2009年12月获得博士学位，2013年至2014年在美国佐治亚理工大学访学。先后主持参与国家863计划、国际合作项目、国家自然科学基金、国家十三五装备预研共用技术项目、装备发展部快速支持项目、教育部重点科学技术项目、陕西省自然科学基金项目、大型企业科研攻关项目等30余项。发表学术论文50余篇，其中SCI检索论文30余篇，获得国家发明专利授权9项，以第一完成人获得陕西省高校科技进步二等奖。

米倩茹：西安建筑科技大学机电工程学院，硕士研究生，主要从事水系锌离子电池高性能钒基正极材料的结构设计与储能机理研究。

西安建筑科技大学机电工程学院陕西省纳米材料与技术重点实验室课题组，本团队围绕储能/新能源电池材料及元器件研究（锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、水系锌离子电池），稀土发光材料，太阳能电池等，开展关键电极材料合成与制备、器件开发与设计的基础前沿和应用研究、及工程化应用。