钾掺杂(NH4)2V4O9正极材料提升水系锌离子电池循环寿命的机制研究

为解决锌离子电池(ZIBs)正极材料结构稳定性差、容量衰减快的问题，研究人员通过水热法制备了K+掺杂的(NH4)2V4O9(KNVO)材料。K+的"支柱效应"使层间距扩大至9.8?，经活性预活化后，在0.5A/g电流密度下实现333mAh/g的高比容量，5A/g循环2000次后容量保持率达83%，为低成本长寿命储能器件开发提供新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，开发安全、低成本的新型储能技术成为研究热点。传统锂离子电池虽性能优异，但面临锂资源短缺和有机电解质易燃等问题。水系锌离子电池(ZIBs)因使用廉价锌负极和不可燃电解液备受关注，但其正极材料普遍存在结构坍塌和锰溶解等技术瓶颈。钒基材料凭借多价态特性和高理论容量成为理想候选，然而Zn²⁺的强库仑斥力常导致材料层间距收缩，严重影响循环寿命。

河南省科技厅重点研发项目支持的研究团队在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表成果，创新性地采用K⁺掺杂策略改性(NH₄)₂V₄O₉(NVO)材料。通过简单水热法合成的KNVO-2材料，利用K⁺的半径优势(1.38?)产生"支柱效应"，将层间距从原始NVO的8.5?显著扩大至9.8?，为Zn²⁺扩散构建快速通道。

研究采用X射线衍射(XRD)确认材料晶体结构，扫描电镜(SEM)观测到KNVO-2呈现独特的纳米片组装体形貌，X射线光电子能谱(XPS)证实K⁺成功掺杂。创新性地采用1.8V预活化策略，将电池活化时间从常规20周期缩短至5周期。电化学测试显示，优化后的材料在0.1A/g电流密度下放电容量达377mAh/g，较未掺杂样品提升25.7%。

Results and discussion
SEM分析显示KNVO-2形成纳米片交错结构，比表面积增大提供更多活性位点。XRD精修证实K⁺进入晶格使(001)晶面间距扩大15%。电化学阻抗谱(EIS)表明KNVO-2电荷转移电阻仅38Ω，显著低于NVO的72Ω。在5A/g高倍率下，2000次循环后容量保持150mAh/g，容量衰减率仅0.0085%/次。

Conclusion
该研究证实K⁺掺杂可协同解决钒基材料层间距小和结构稳定性差的难题。KNVO-2材料兼具292Wh/kg高能量密度和1.08mAh/cm²的面容量，其"扩大层间距-稳定结构-提升导电性"的改性机制为设计高性能ZIBs正极提供了新范式。该成果对推动锌离子电池产业化具有重要指导意义。