北理工曹传宝/朱有启CEJ：高可逆电化学储镁用微波诱导富缺陷硫化钒阴极

第一作者：江蓉

通讯作者：朱有启*，邹美帅*，曹传宝*

可充电镁电池(rMBs)由于其较高的理论体积比容量(3833 mAh cm⁻³)、丰富的丰度、令人满意的安全性和环境兼容性，最近引起了广泛关注。然而，强静电力和电解质-电极不相容性导致Mg²⁺离子的电化学动力学缓慢，阻碍了rMBs的实际和工业应用。因此，探索合适的正极材料对于实现高效稳定的Mg²⁺离子存储尤为重要。VS₄由于其巨大的理论容量（1199 mAh g^-1),显示出很大的应用前景。然而，大多数观测到的容量远远低于其理论值。此外，Mg²⁺离子与VS₄主体晶体之间的大相互作用可能导致结构崩溃。VS₄阴极很难提供足够高的电导率来实现Mg2+离子的快速扩散动力学。

近日，来自北京理工大学的曹传宝教授和朱有启副教授等在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Microwave-induced defect-rich vanadium sulfide cathodes for highly reversible electrochemical magnesium storage”的研究论文。本工作以富缺陷的VS₄材料作为正极材料模型，提出了一种微波诱导合成方法，制备了具有丰富硫空位和高V³⁺/V⁴⁺比的VS₄纳米片。电化学反应动力学的改善归因于VS₄纳米片的富缺陷结构和S²⁻/S₂²⁻之间的可逆阴离子氧化还原反应。为设计具有良好扩散动力学的高性能Mg²⁺离子存储阴极材料提供了更深层次的理解。

1. 与外离子掺杂剂不同，V³⁺自掺杂可以最大限度地减小离子半径差异引起的晶格畸变，保持活性材料的结构稳定性。

   自掺杂还能提高载流子的输运速率，实现了良好的循环稳定性和显著的速率性能。

2. 丰富的S空位作为电化学活性位点，可以吸附更多的Mg²⁺，从而提高Mg²⁺的存储，可以加快电化学反应动力学，缩短活化过程，在短时间内获得稳定的容量值。

   活性材料中丰富的硫空位也为离子插层提供了有效途径，从而增强了电荷转移动力学，达到良好的速率能力。

3. 所合成的VS₄正极材料表现出显著优异的电化学储镁性能，其在200mA g^-1的电流密度下的储镁容量为701 mAh g^-1，在1.0 A/g电流密度下也表现出超过600个循环的长期工作稳定性，每个循环的容量衰减仅为0.3 %。

Microwave-induced defect-rich vanadium sulfide cathodes for highly reversible electrochemical magnesium storage