高载量氮化钒/氮掺杂还原氧化石墨烯复合阴极的快速稳定锌离子存储机制及3D打印应用

为解决水系锌离子电池(AZIBs)阴极材料动力学迟缓、载量低和循环稳定性差的问题，研究人员通过复合氮化钒(VN)与氮掺杂还原氧化石墨烯(N-rGO)并结合3D打印技术，开发出具有分级多孔结构的VN/N-rGO阴极。该电极展现出529.8mAh g?1的高可逆容量、1000次循环后261.6mAh g?1的优异稳定性，并通过13mg cm?2高载量验证了其实际应用潜力。研究揭示了VN首次循环不可逆转化为Zn3(OH)2V2O7(H2O)2后实现Zn2+可逆嵌入/脱嵌的储能机制，为高能量密度AZIBs设计提供新思路。

　　

研究背景与意义
随着全球对大规模储能需求的激增，水系锌离子电池(AZIBs)因其锌资源丰富、成本低廉和本征安全性成为最具前景的储能系统之一。然而，阴极材料的性能瓶颈严重制约其实际应用——传统材料面临比容量低、循环寿命短等挑战，而高载量电极的制备更是长期受限于动力学迟缓和结构不稳定。氮化钒(VN)因其高理论容量(远超V₂O₅等氧化物)和优异导电性被视为理想候选，但其岩盐结构阻碍Zn²⁺扩散，且高载量下性能急剧衰减。如何通过材料设计与制备工艺创新突破这些限制，成为领域内亟待解决的核心问题。

研究设计与方法
湖北三峡职业技术学院等机构的研究团队提出"材料-结构"协同优化策略：通过固相烧结法将VN与氮掺杂还原氧化石墨烯(N-rGO)复合构建导电网络，并采用材料挤出式3D打印技术制备具有定制化孔道的高载量电极。研究通过X射线衍射(XRD)等表征手段追踪VN在充放电过程中的相变行为，结合电化学测试系统评估电极性能。

关键结果

1. 材料特性与结构优势
   VN/N-rGO复合物中VN纳米颗粒均匀锚定于N-rGO片层，吡咯/石墨氮的引入显著提升电荷转移效率。3D打印电极的层级孔道(10-50μm)促进电解液渗透，使电极在13mg cm^?2载量下仍保持390.2mAh g^?1的可逆容量。

2. 电化学性能突破
   在0.05A g^?1下获得529.8mAh g^?1的超高容量，8A g^?1大电流循环1000次后容量保持率达49.3%。性能优于已报道的VN@rGO(343mAh g^?1)和Al-VN(544mAh g^?1)。

3. 储能机制解析
   原位XRD揭示VN首周循环不可逆转化为层状Zn₃(OH)₂V₂O₇(H₂O)₂，后续Zn²⁺在其层间可逆嵌入/脱嵌。这种结构重构形成的开放框架是维持高容量的关键。

结论与展望
该工作通过材料复合与3D打印工艺的巧妙结合，实现了VN基阴极从本征特性到宏观结构的全方位优化，其高载量性能指标(13mg cm^?2时390mAh g^?1)为AZIBs能量密度提升树立新标杆。研究揭示的"转化-嵌入"混合储能机制为新型高容量材料设计提供理论指导。未来通过优化打印参数和电解液配方，有望进一步推动该技术走向实际应用。论文发表于《Applied Surface Science》，为AZIBs从实验室研究向产业化迈进提供了重要参考。