钾离子插层水合五氧化二钒光电极助力高性能光辅助锌离子电池的容量提升与循环稳定性

针对光辅助锌离子电池(PAZIBs)存在的光电效率低、循环稳定性差等问题，研究人员通过钾离子(K+ )插层水合五氧化二钒(KVOH)构建新型光电极，显著提升导电性、光吸收及载流子分离效率，使电池在光照下获得454 mAh g?1 的高容量和4000次循环后86%的容量保持率，为低功耗器件供能提供新策略。

　　

在全球能源转型与碳中和背景下，清洁能源的间歇性特性对储能技术提出严峻挑战。锌离子电池(ZIBs)因其高安全性和低成本成为研究热点，但传统ZIBs受限于Zn²⁺
扩散动力学缓慢和正极材料结构退化。光辅助锌离子电池(PAZIBs)通过将光能捕获与电化学储能耦合，为突破这一瓶颈提供新思路。然而，现有PAZIBs普遍面临光吸收效率低、载流子复合严重、循环寿命短等核心问题，亟需开发兼具高效光电转换与结构稳定性的电极材料。

针对这一挑战，黑龙江省自然科学基金支持的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表创新成果。研究人员聚焦钒基氧化物材料，通过钾离子(K⁺
)插层水合五氧化二钒(V₂
O₅
·nH₂
O)构建KVOH光电极，系统解决了PAZIBs的能带结构调控与离子传输动力学优化难题。研究采用X射线衍射(XRD)和紫外可见光谱(UV-Vis)表征材料结构，通过电化学阻抗谱(EIS)和恒电流充放电测试评估性能，并利用商用电子日历验证实际应用价值。

结果与讨论
KVOH光电极展现出三重优势：

1. 能带工程：K⁺
   插层使带隙从2.5 eV降至2.2 eV，拓宽可见光吸收范围；导带位置上移0.3 eV，促进光生电子-空穴对分离。
2. 结构稳定：层间K⁺
   发挥"支柱效应"，使材料在4000次循环后仍保持86%容量，较未改性样品提升40%。
3. 动力学优化：电子电导率提高2个数量级，Zn²⁺
   扩散系数达1.8×10^?9
   cm²
   s^?1
   ，实现5000 mA g^?1
   高倍率下347 mAh g^?1
   的容量。

结论与意义
该研究开创性地将碱金属离子插层化学与光电极设计相结合：

• 实验证实KVOH基PAZIBs在模拟光照下容量提升33%，器件运行时间延长6%；
• K⁺
  的"双功能调控"机制（稳定晶体结构+优化电子结构）为新型光储能材料设计提供范式；
• 技术经济性分析显示，该方案无需贵金属催化剂，材料成本降低60%，具备产业化潜力。

这项工作不仅推动PAZIBs从实验室走向应用，其揭示的离子插层-光电协同效应更为开发下一代智能储能系统奠定理论基础。研究团队正基于该技术开发面向物联网设备的自供能电池模块，进一步拓展其在可穿戴医疗设备等领域的应用场景。