聚苯胺预嵌层V2O5/石墨烯自支撑薄膜缓冲锌离子电池充放电体积变化的研究

为解决V2O5阴极材料导电性差、充放电体积变化大导致的容量衰减问题，山东理工大学团队设计了一种聚苯胺（PANI）预嵌层V2O5/石墨烯（PNV/rGO-F）自支撑薄膜。该材料通过同步还原组装技术结合PANI的稳定性和石墨烯的导电性，实现了Zn2+快速扩散与体积变化缓冲，在0.1 A g?1下获得560.5 mAh g?1的高容量，1000次循环后容量保持率达81%。该研究为柔性锌离子电池电极设计提供了新思路。

　　

论文解读

背景与挑战

随着能源存储需求激增，锂离子电池（LIBs）因资源短缺和有机电解液安全隐患面临发展瓶颈。水系锌离子电池（AZIBs）凭借低成本、高安全性成为理想替代品，但阴极材料V₂O₅存在导电性差、Zn²⁺嵌入/脱出引发结构坍塌等核心问题。尽管预嵌离子或导电复合策略可部分改善性能，但活性成分占比低、机械稳定性不足仍制约其应用。

研究设计与方法

山东理工大学团队创新性地提出“分子预嵌层+物理限域”协同策略：通过水热法将聚苯胺（PANI）嵌入V₂O₅层间（PNV），再与氧化石墨烯（GO）共组装并在锌箔表面同步还原，构建三维自支撑薄膜（PNV/rGO-F）。关键技术包括：（1）酸性条件下PANI原位插层扩大V₂O₅晶面间距；（2）GO与PNV的分子间耦合及锌诱导还原；（3）无粘结剂电极直接成型技术。

研究结果

材料结构与机理
XRD显示PANI插层使V₂O₅层间距从4.7 ?增至1.42 nm，DFT计算证实Zn²⁺扩散能垒降低62%。TEM观察到rGO二维层对PNV的包裹形成“三明治”结构，有效抑制循环应力积累。

电化学性能
PNV/rGO-F在0.1 A g^?1下展现560.5 mAh g^?1的容量（接近理论值589 mAh g^?1），2 A g^?1下1000次循环容量保持率81%，优于多数报道的V₂O₅基阴极（对比表S1）。原位XRD证实充放电过程中α-Zn₃V₂O₇(OH)₂·2H₂O可逆相变。

柔性器件应用
直接组装的 pouch cell 在弯曲状态下容量衰减<5%，证明其柔性电子器件适配性。

结论与意义

该研究通过分子工程与结构设计协同优化，实现了V₂O₅阴极材料“导电性-稳定性-柔性”三重突破。PANI插层与rGO限域的协同作用为AZIBs电极设计提供了普适性思路，其无集流体设计可推广至其他储能体系。论文发表于《Journal of Energy Storage》，被编辑评价为“兼具基础创新与应用价值的典范研究”。