AEM：多孔 V2O5正极中的超快3D混合离子传输用于高倍率可充电水系锌电池

层状V₂O₅是可充电水系锌基电池(RAZBs)的星形正极材料，因为钒具有丰富的氧化还原化学性质，通常通过边缘位置的Zn²⁺(脱)嵌入表现出二维离子扩散机制，但被惰性基面所困扰。

在此，北京科技大学刘永畅教授、曲选辉教授&河北大学张宁教授团队创新地制备了在碳布上垂直生长的分级多孔V₂O₅纳米片(V₂O₅/C)，其中具有晶格缺陷的多孔结构成功解锁了V₂O₅基面以提供额外的离子扩散通道和丰富的活性位点。

因此，在配制的15 m LiTFSI+1 m Zn(CF₃SO₃)₂水性电解质中，首次实现了沿V₂O₅的c轴和ab平面的高效超快的3D Li⁺/Zn²⁺共插入/脱出行为。

图1. 多孔V₂O₅/C正极材料结构分析

总之，本文首先提出了将层状V₂O₅正极中的传统2D离子扩散转变为更简单的3D机制的新概念。所制备的多孔V₂O₅/C具有丰富的晶格缺陷，可通过解锁其基面实现沿V₂O₅的c轴和ab平面的高效3D Li⁺/Zn²⁺共嵌入/脱出。因此，前所未有的高倍率性能(在0.2和100 A g^-1下分别为467.2和113.9 mAh g^-1)和超长循环寿命(15000次循环后90.7%的容量保持率)在RAZBs中实现。

更具吸引力的是，与仅有的Zn²⁺插入行为相比，3D Li⁺/Zn²⁺共插入化学大大提高了多孔V₂O₅ /C的能量密度≈58%。XRD、XPS、Raman、UV-Vis和TEM的系统性非原位分析与三电极电池测试、GITT和梯度率CV测量以及DFT计算相结合，详细阐述了顺序Li⁺和Zn²⁺存储机制在多孔V₂O₅/C具有超快 3D 离子传输动力学。

作为概念证明，由多孔V₂O₅/C正极构建的准固态柔性可充电锌电池即使在严重弯曲状态和低温下也能显示出惊人的能量输出，展示了巨大的应用潜力。这项研究通过构建高效的3D离子扩散电化学为设计高性能RAZBs层状正极材料提供了新的机会。

图2. 准固态柔性可充电锌电池的电化学性能

Ultrafast 3D Hybrid-Ion Transport in Porous V2O5 Cathodes for Superior-Rate Rechargeable Aqueous Zinc Batteries, Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202204358