酒精分子耦合调控无定形钒基阴极：实现高倍率长寿命水系锌离子电池的普适性策略

针对钒氧化物(VOs)阴极材料在锌离子电池中存在的动力学迟缓和钒溶解问题，研究人员创新性地提出酒精分子耦合(AMC)策略，通过形成V─OH键精准调控VO2、V2O5和V6O13的无序度。其中异丙醇(Ipr)耦合形成的短程有序无定形结构(SOA-VO/Ipr)表现出219.4 mAh g?1@100 A g?1的超高倍率性能和10,000次循环92.6%的容量保持率，为开发高性能水系电池提供了新思路。

　　

研究背景与意义

水系锌离子电池(AZIBs)因其高安全性和低成本成为大规模储能的热门选择，但阴极材料的性能瓶颈严重制约其发展。钒氧化物(VOs)虽然具有>300 mAh g^?1的理论容量，却面临两大关键挑战：晶体结构导致的缓慢Zn²⁺扩散动力学，以及在水系电解液中严重的钒溶解问题。传统策略如晶格掺杂或表面修饰往往顾此失彼——增强结晶度会牺牲离子传输速率，而无序化设计又加剧了结构不稳定性。

研究方法与技术路线

研究人员通过酒精分子耦合(AMC)方法，利用乙醇(Et)、异丙醇(Ipr)和异丁醇(Ibu)的还原性和链长差异，系统性调控V₂O₅等材料的无序程度。结合密度泛函理论(DFT)计算、原位X射线衍射(XRD)和X射线吸收精细结构谱(EXAFS)等表征技术，揭示了V─OH键的耦合机制。通过电化学测试（包括恒电流间歇滴定技术GITT和原位电化学阻抗谱EIS）评估材料性能，并在21.9 mg cm^?2高载量条件下验证实用性。

研究结果与发现

1. 合成机制与结构调控
通过HRTEM和SAED证实，Ipr诱导的SOA-VO/Ipr呈现独特的短程有序结构（晶面间距0.34 nm），其V─OH键结合能达72.14 kJ mol^?1，显著高于Et(43.27 kJ mol^?1)。XANES显示V价态从+4.9降至+4.74，证实电子转移稳定了结构。

2. 溶解抑制与动力学增强
DFT计算表明SOA-VO/Ipr与H₂O的结合能达1.00 eV，ICP检测显示循环后钒溶解量仅1.73 μg ml^?1。GITT测试揭示Zn²⁺扩散系数提升至2.19×10^?10 cm² s^?1，扩散能垒低至0.69 eV。

3. 电化学性能突破
SOA-VO/Ipr在100 A g^?1下仍保持219.4 mAh g^?1容量，10,000次循环容量衰减率仅0.0074%/次。高载量电池(21.9 mg cm^?2)在9.1 A g^?1下稳定循环3500次，容量保持228.8 mAh g^?1。

4. 普适性验证
该方法成功拓展至VO₂和V₆O₁₃，VO₂/Ipr在100 A g^?1下实现200 mAh g^?1容量，证实AMC策略的广泛适用性。

结论与展望

该研究通过分子水平的精准调控，首次实现无定形钒基阴极"动力学-稳定性"的协同优化。发表于《SCIENCE ADVANCES》的这项工作不仅为AZIBs提供了可产业化的阴极设计范式，其"电子给体-受体"耦合机制更为其他储能材料开发提供了新思路。未来通过拓展有机分子库，有望进一步突破水系电池的能量密度极限。