近年来，水系二次锌离子电池凭借其高安全性、易组装、高容量、低成本、环境友好和锌储量丰富等优势，在储能设备中具有巨大的应用前景。钒基材料由于其高容量的特点受到了广泛关注，但存在溶解、自聚集、体积膨胀、电子导电性差等问题，导致循环性能差。因此，亟待开发长寿命、高容量、高导电的钒基正极材料。
在本文中，作者发展了一种层层堆叠结构V2O5/石墨烯的二维异质结构，结合无定形V2O5材料丰富的活性位点、较短的离子扩散路径和高导电石墨烯的优点，使得限制在层层堆叠结构中的无定形V2O5容量得到了充分发挥，同时保证了结构的稳定性，从而有效提高了锌离子电池的容量和循环性能 ，为改善正极材料储锌性能提供了新的方向和策略。
近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室吴忠帅研究员课题组采用二维模板离子吸附策略，将无定形V2O5均匀生长于高导电的石墨烯表面，通过自组装的方式，获得了一种层状V2O5/石墨烯二维异质结新材料（A-V2O5/G）。
该材料充分结合无定形V2O5本身缺陷丰富、离子扩散路径短和石墨烯高导电性、良好机械稳定性的优点，以及层状结构的保护作用，缓解了钒溶解问题，实现了高效离子-电子协同传输，获得了具有超长寿命、高安全的水系锌离子电池（ZIBs）。
在0.3 A/g的电流密度下，具有447 mAh/g的高容量，同时在30 A/g时仍具有202 mAh/g的容量，循环20000次后，仍然具有83%的容量保持率。此外，基于该正极构建的高安全平面化微型锌离子电池，获得了高体积容量（57 mAh/cm3）、高能量密度（45 mWh/cm3）、长寿命、良好的串并联集成特性，证明了其作为高安全、低成本、可穿戴储能器件的潜力。该工作为发展高效电子-离子协同增强的二维异质结材料提供了新策略，为构建高效电化学能源器件提供了新思路。
该文章发表在国际顶级期刊Energy Storage Materials上。王潇和李亚光为本文共同第一作者。
水系锌离子电池的正极材料，包括锰氧化物、普鲁士蓝类似物（如FeFe（CN）6）、NASICON型材料（如Na3V2（PO4）3）、钒基化合物（如V2O5·nH2O、VOPO4、Na0.33V2O5，LixV2O5·nH2O、NaCa0.6V6O16·3H2O、Zn0.3V2O5·1.5H2O、Na1.1V3O7.9、VO2）和有机化合物（如芘-4,5,9,10-四酮、聚苯胺）。
虽然晶体钒氧化物具有成本低、易于生产的特点，但由于钒元素溶解、自聚集、低导电性以及在锌离子脱嵌过程中造成的相转变等原因，其循环性能较差。因此构建高性能ZIBs的一个可靠策略是以可控的逐层堆叠顺序制造二维超薄、高容量、无定形正极（如V2O5）与石墨烯的二维异质结结构，这可能有效地增强电子转移，由于协同作用强、无序结构稳定、缺陷丰富、二维层层堆叠结构等原因，可以缓解体积膨胀，实现性能提升。
值得注意的是，这种二维逐层异质结构具有高比表面积、近100%的活性材料利用率、导电纳米片中的快速电子输运以及在层状正极中的快速离子扩散，有助于实现ZIBs的高容量和长循环性。但是，利用基于超薄高容量V2O5和导电石墨烯之间强耦合作用的二维异质结构用于锌离子电池的正极材料并未实现。
层状无定形V2O5/石墨烯二维异质结制备流程和锌离子电池工作原理。
在0.3到30 A/g电流密度下的充放电曲线（a）；
（b）在0.3 A/g下基于无定形V2O5异质结（A-V2O5/G-ZIBs），晶型V2O5异质结（C-V2O5/GZIBs）和晶型V2O5 （C-V2O5-ZIBs）为正极时的充放电曲线以及倍率性能（c）和循环性能（d），以及相应的EIS谱图（e）。（f）Ragone图；（f）在30 A/g下的长循环性能。
(a) 在1-9 mV/s下A-V2O5/G-ZIBs的循环伏安曲线；
在初始状态、以及充放电完成后V 2p （e）和Zn 2p（f）的XPS谱图。
（e）不同弯曲状态下的循环伏安图和容量保持率（f）;
本文制备出具有强耦合效应层状无定形V2O5/石墨烯异质结新材料，实现了对钒基正极材料的有效保护，有效缓解了钒溶解问题，获得了高安全、低成本、长寿命水系锌离子电池。层状二维异质结充分结合了高导电石墨烯和无定形V2O5丰富活性位点的优点，使得层层堆叠结构中的无定形V2O5容量得到了充分发挥，同时保证了结构的稳定性。
在0.3 A/g的电流密度下，具有447 mAh/g的高容量，同时在30 A/g时仍具有202 mAh/g的容量，循环20000次后，仍然具有83%的容量保持率。此外，基于该正极构建的高安全平面化微型锌离子电池，获得了高体积容量（57 mAh/cm3）、高能量密度（45 mWh/cm3）、长寿命、良好的串并联集成特性，证明了其作为高安全、低成本、可穿戴储能器件的潜力。该工作为发展高效电子-离子协同增强的二维异质结材料提供了新策略，为构建高效电化学能源器件提供了新思路。
Layer-by-layer stacked amorphous V2O5/Graphene 2D heterostructures with strong-coupling effect for high-capacity aqueous zinc-ion batteries with ultra-long cycle life, 2020, Energy Storage Materials,
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.06.010
吴忠帅，中科院大连化物所首席研究员、催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组（508）组长、博士生导师、中组部引进海外高层次人才、英国皇家化学会会士、2018和2019年科睿唯安全球高被引科学家。主要从事石墨烯和二维材料化学及微纳电化学能源创新系统研究，包括柔性化微型储能器件、超级电容器、高比能电池（锂离子/锂硫/固态电池）、钠/钾/铝电池及能源催化研究。已在Energy Environ. Sci.、Adv. Mater、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater、Energy Storage Mater.等国际权威杂志发表论文140余篇，其中IF＞10的文章88篇，已被SCI引用21000余次，ESI高被引论文26篇。承担科技部、中组部、基金委、中科院、企业等20余个科研项目。获国家自然科学二等奖、辽宁省自然科学一等奖、Energy Storage Materials青年科学家、中科院“百人计划”终期评估优秀等奖励和荣誉；担任Appl. Surf. Sci.编辑、J. Energy Chem.执行编委、Energy Storage Mater.编委和客座编辑、Adv. Mater.客座编辑等多项学术任职。
课题组网页：www.zswu.dicp.ac.cn
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