具有可调界面应变和电荷的同源氧化钒与氮化钒的集成，用于高性能水系锌离子电池正极

《Journal of Colloid and Interface Science》：Integration of homologous vanadium oxide and nitride with adjustable interfacial strain and charge for high performance cathode aqueous zinc-ion batteries

水系锌离子电池中2V2O5-3VN异质结构通过金属辅助腐蚀和溶剂热反应制备，界面应变工程显著提升结构稳定性和电子迁移，实现高容量（398 mA·h/g）、快速充放电（103.2 mA·h/g@4 A/g）及优异循环稳定性（83%容量保留，1000次循环），XRD/XPS证实结构可逆性。

　　在当今能源需求不断增长的背景下，寻找高效、环保的储能技术成为研究的重点。锌离子电池（ZIBs）作为一种新兴的储能体系，因其成本低廉、安全性高以及能量密度具有竞争力而备受关注。然而，V?O?基电极在ZIBs中的应用仍面临诸多挑战，主要体现在其较差的结构稳定性以及缓慢的电化学反应动力学。为此，科学家们不断探索新的材料设计策略，以提高电极的性能。最近，一种基于同系结构的2V?O?-3VN异质结构被成功制备，这一创新不仅改善了电极的稳定性与导电性，还显著提升了锌离子的存储能力与反应效率。

V?O?作为ZIBs中一种常见的正极材料，具有可调节的层间距、多种氧化还原状态以及较高的可逆容量。这些特性使其在储能领域展现出巨大的潜力。然而，纯V?O?在实际应用中受到其较差的电导率、结构不稳定性和缓慢的离子扩散动力学的限制。为了解决这些问题，研究者们提出了多种改进策略，如掺杂、复合形成、缺陷工程、层间修饰、纳米结构化以及异质结构工程。其中，异质结构工程被认为是一种有效的方法，能够优化材料的性能，提高反应速率与循环稳定性。

与传统的V?O?/MXene或V?O?/石墨烯异质结构相比，后者依赖于协同增强效应，但在实际应用中容易出现外部聚集问题。而通过控制外部应变工程对V?O?结构进行优化，则能够提供更优异的稳定性与物理性能。例如，有研究表明，应变工程可以调节混合材料的能带结构，从而增强界面电荷转移效率和界面性能。此外，VOPO?-石墨烯异质结构中的界面应变能够创造一个零应变的插层正极，从而减少体积变化，提高可逆性。因此，将氧化物与氮化物进行混合设计，被认为是实现界面应变和电子工程以调控晶体和电子结构的一种可行策略。

本研究首次报道了在V?O?/VN异质结构中应用应变工程，以增强正极材料的稳定性与导电性。通过金属辅助蚀刻和水热反应，成功构建了2V?O?-3VN异质结构。该异质结构的形成使得VN引入了压缩应力，从而显著改善了V?O?的层状结构稳定性与电子迁移能力。同时，提升了锌离子的吸附能力与扩散动力学，为ZIBs提供了更加高效的正极材料。实验结果显示，该异质结构在0.1 A g?1的电流密度下表现出398 mA h g?1的高可逆容量，在4 A g?1的高电流密度下仍能保持103.2 mA h g?1的优异倍率性能，并在1000次循环后仍具有125 mA h g?1的容量保持率，达83%。这表明该异质结构不仅具有良好的电化学性能，还具备出色的循环稳定性。

为了进一步验证该异质结构的性能，研究者们采用了原位XRD和原位XPS分析方法，确认了锌离子在充放电过程中的有效插层与脱插层，以及异质结构在循环过程中的结构可逆性。这些结果表明，2V?O?-3VN异质结构在锌离子存储方面表现出色，具备长期稳定的性能。同时，电化学动力学分析也证实了该异质结构中锌离子的扩散动力学得到了显著改善，基于赝电容行为，其电化学反应过程更加稳定。

此外，该研究还深入探讨了应变工程在同系结构的钒基异质结构中的基本原理。通过调控材料的应变状态，可以优化其界面性能，从而提高整体电池的性能。这一发现为设计更先进的钒基复合材料提供了宝贵的理论依据和实践指导。未来的研究可以进一步探索不同应变条件对异质结构性能的影响，以及如何通过材料工程手段提高锌离子电池的整体效率与稳定性。

综上所述，这项研究不仅在材料合成方法上进行了创新，还通过系统性的实验分析验证了异质结构在锌离子电池中的优越性能。通过引入压缩应力，改善了V?O?的结构稳定性与电子迁移能力，同时提升了锌离子的存储能力与反应效率。这些成果为锌离子电池的进一步发展提供了新的思路和方向，具有重要的科学价值与应用前景。未来，随着材料工程和电化学研究的不断深入，有望实现更高性能的锌离子电池，推动其在大规模储能中的应用。