“一石二鸟” 策略：提升高性能水系锌离子电池中钒氧化物阴极的锌离子扩散与稳定性

水系锌离子电池（AZIBs）中，钒 pentoxide（V2O5）阴极存在层间距窄、层间结合弱等问题。研究人员通过插层双（4 - 硝基苯基）磷酸（BNP）开展研究。结果显示，改性后的电极性能优异，这为 AZIBs 阴极材料优化提供了新方向。

　　在全球能源转型的浪潮中，高效、安全、经济且功率密度高的储能系统需求日益增长。水系可充电电池凭借安全性高、成本低等优势，成为大规模电网储能的有力竞争者，其中水系锌离子电池（AZIBs）更是备受瞩目。它利用锌金属阳极天然储量丰富、成本低、环境可持续，以及具有低氧化还原电位和高达 820 mAh g^?1理论容量的特点，有望在储能领域大展身手。

然而，AZIBs 的发展却遭遇了 “拦路虎”，其阴极材料性能不佳，难以满足倍率性能和稳定性的要求。钒基氧化物作为潜在的 AZIBs 阴极材料，本有着独特的层状结构、丰富的价态（V³⁺、V⁴⁺、V⁵⁺）和较高的理论容量。特别是 V₂O₅，其由角共享 VO₅金字塔组成的层状结构，可控的层间距为 Zn²⁺的嵌入和脱嵌提供了良好环境，理论容量可达 589 mAh g^?1，被视为极具应用前景的阴极材料之一。但在实际应用中，V₂O₅却问题重重，活性材料利用率低、电化学循环过程中容量快速衰减，主要原因在于阴极材料溶解以及 Zn²⁺扩散动力学缓慢。

此前的研究尝试通过在 V₂O₅层中预插层水分子或金属离子（如 K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Al³⁺）来扩大层间距，减少静电相互作用，促进多价 Zn²⁺传输，但层间距扩大有限，难以在快速 Zn²⁺扩散所需的足够间距和长期循环结构稳定性之间取得平衡。探索使用更大的有机插层材料，如导电聚合物聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）和聚苯胺（PANI），虽能提升动力学，但它们与 V₂O₅层相互作用弱，在反复的 Zn²⁺插入 / 脱嵌应力下易导致结构坍塌。而磷掺杂虽能改善氧活性和层间结合，但 V₂O₅在水性电解质中的高溶解性问题仍未解决，严重限制了循环寿命。因此，如何同时优化 V₂O₅基阴极的层间距、结构稳定性和抗溶解性，成为亟待攻克的难题。

为解决这些问题，来自国内的研究人员开展了一项重要研究。他们提出了一种 “一石二鸟” 策略，设计双（4 - 硝基苯基）磷酸（BNP）作为 V₂O₅的多功能改性剂。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为 AZIBs 的发展带来了新希望。

研究人员在实验过程中，主要运用了 X 射线衍射（XRD）技术来分析材料结构变化，通过观察不同 BNP 含量的钒基阴极材料的 XRD 图谱，探究 BNP 插层对 V₂O₅结构的影响；还使用了电化学测试技术，如恒电流充放电测试，来评估材料的电化学性能，获取比容量、倍率性能和循环稳定性等关键数据。

研究结果方面：

• 结构变化：通过 XRD 分析可知，BNP 插层使得 V₂O₅的（001）晶面间距从 4.4 ? 大幅增加到 11.6 ?。从微观层面看，合成过程将 V₂O₅由紧密堆积的块状结构重构为不规则纳米片，BNP 分子成功嵌入 V₂O₅层间，扩大了层间距，为 Zn²⁺扩散提供了更宽敞的通道。
• 电化学性能提升：BNP 改性的 V₂O₅（BVO）电极展现出优异的电化学性能。在 0.2 A g^?1的电流密度下，比容量高达 421 mAh g^?1；在 5 A g^?1的高电流密度下，比容量仍可达 233 mAh g^?1，表现出良好的倍率性能。循环稳定性更是出色，在 5 A g^?1下循环 1000 次后，容量保持率达到 100%。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功利用 BNP 对 V₂O₅阴极进行改性，显著提升了其电化学性能。BNP 插层不仅扩大了 V₂O₅的层间距，促进了 Zn²⁺扩散，还增强了结构完整性，有效缓解了 V₂O₅的溶解问题，提高了容量保持率和循环稳定性。这种创新的 BNP 插层方法为优化其他层状阴极材料提供了新的思路和途径，有望推动 AZIBs 在大规模储能系统中的实际应用，对实现可持续能源存储具有重要意义。它为解决当前能源存储领域的关键问题提供了可行方案，为未来高效储能技术的发展奠定了基础。