基于氧化镓钒的独立多功能电极，用于下一代锂离子和钠离子储能技术：结合实验研究与第一性原理分析探究其电化学性能

《ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS》：Gallium Vanadium Oxide-Based Free-Standing Versatile Electrode for Next-Generation Lithium and Sodium Energy Storage: Combined Experimental and First-Principles Insights into Electrochemical Performance

本研究通过固体反应和退火处理合成了镓钒氧化物（GVO）混合氧化物材料，并制备了基于GVO的柔性自支撑电极。实验结果表明，GVO电极在锂离子电池中达到571 mAh/g的放电容量，接近理论值588 mAh/g；在钠离子电池中容量为202 mAh/g，接近理论值236 mAh/g。混合离子电容器中，锂离子电容器能量密度178.24 Wh/kg，功率密度16.6 kW/kg；钠离子电容器能量密度130.74 Wh/kg，功率密度13.30 kW/kg。密度泛函理论计算表明，Ga掺杂降低了缺陷形成能，减小了带隙，提高了电导率。GVO电极在柔性可穿戴设备、储能系统中展现出优异性能和潜力。

　　在当今快速发展的科技领域，柔性电池和混合离子电容器正逐渐成为推动新一代电子设备的核心能量存储技术。这些技术被广泛应用于可穿戴电子设备、柔性显示屏以及植入式医疗设备等，它们的优势在于轻量化、柔韧性和耐用性，能够无缝地集成到各种紧凑和便携的系统中。随着对这些设备的需求不断增长，研究的重点已转向提升能量密度、循环寿命、机械灵活性以及环境可持续性。过渡金属氧化物（TMOs）因其高理论容量、伪电容行为以及化学稳定性，被视为这些应用的有力候选材料。其中，五氧化二钒（V?O?）因其多价态的氧化还原行为、层状结构以及高效的离子插层能力而受到广泛关注。然而，尽管V?O?具备诸多优点，其在实际应用中仍面临一些挑战，如较低的电导率和较差的循环稳定性，这限制了其在高性能储能设备中的使用。为了克服这些局限，研究人员探索了多种策略，例如金属离子掺杂，以改善其电化学性能。

本研究通过简单的固态反应结合退火工艺，合成了一种新的混合氧化物材料——镓-钒氧化物（GVO）。该材料被设计为一种自由-standing的复合电极，用于锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）、锂离子电容器（LICs）和钠离子电容器（SICs）等多种能量存储系统。实验结果显示，GVO电极在1 C-rate下表现出优异的放电容量，分别为571 mAh g?1和202 mAh g?1，接近其理论容量值（锂离子电池为588 mAh g?1，钠离子电池为236 mAh g?1）。这表明GVO电极在能量存储方面具有高效和出色的性能。此外，混合离子电容器也展示了GVO的潜力，其中锂离子电容器的能量密度和功率密度分别达到178.24 Wh kg?1和16.6 kW kg?1，而钠离子电容器则达到130.74 Wh kg?1和13.30 kW kg?1。这些数据进一步说明了GVO在多种储能体系中的广泛应用前景。

在研究过程中，采用了多种材料表征技术，包括X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、比表面积测试（BET）以及X射线光电子能谱（XPS）等，以深入理解GVO的结构和表面特性。XRD分析显示，GVO的主要衍射峰与V?O?的正交晶系相一致，而Ga?O?的引入使得材料结构更加均匀且稳定。拉曼光谱进一步揭示了GVO中不同V–O键的振动模式，这些模式与V?O?的层状结构密切相关。BET和BJH曲线表明，GVO具有更高的比表面积和更发达的孔结构，这有助于提高其电化学活性和离子扩散效率。XPS分析则确认了GVO中各元素的氧化态，为理解其电化学行为提供了重要依据。

在电化学性能方面，GVO电极表现出优异的充放电特性。在锂离子电池测试中，GVO电极在不同C-rate下的放电容量显著高于V?O?电极（BVO），特别是在高电流密度条件下，其循环稳定性也优于BVO。在锂离子电容器测试中，GVO电极同样表现出出色的能量密度和功率密度，以及高循环稳定性。而在钠离子电池和钠离子电容器中，GVO电极同样展现出良好的性能，尽管钠离子的较大尺寸和较高的溶剂化壳层导致其在电化学行为上与锂离子存在差异。此外，GVO电极的表面电容贡献显著，表明其在混合离子电容器中的优势主要来自于表面电化学反应。

通过密度泛函理论（DFT）计算，研究进一步揭示了GVO材料的优异性能。结果表明，Ga的引入降低了V?O?中稳定缺陷的形成能，同时提高了电导率，减小了带隙。这些因素共同作用，使得GVO在离子插层过程中表现出更优的电化学性能。DFT计算还支持了实验数据，揭示了GVO在结构稳定性和离子扩散方面的优势，进一步证明其作为下一代可持续能量存储材料的潜力。

实验和理论分析的结合，使GVO成为一种具有高度多功能性和优越性能的材料。其结构的稳定性、离子的高效扩散能力以及优异的电化学性能，使其在多种能量存储系统中表现出色。此外，GVO电极的制备过程无需依赖碳封装，这不仅减少了热处理的时间，还简化了大规模生产流程，使其更具实际应用价值。通过测试其在高倍率下的循环稳定性，GVO电极展现了其在长期使用中保持高放电容量的能力，这表明其在高功率和长寿命储能设备中的适用性。

在实际应用中，GVO电极还被用于供电实验，例如通过点亮LED，以验证其在混合离子电容器中的实际能量输出能力。实验结果表明，GVO电极不仅能够维持高能量密度和功率密度，还具备出色的循环稳定性，即使在长时间高电流密度运行下，其性能也未明显下降。这一特性使其在现实中的应用潜力巨大，尤其是在需要高功率输出和长期稳定的设备中。

总的来说，这项研究不仅展示了GVO材料在多种储能系统中的广泛适用性，还通过实验和理论分析全面揭示了其优异的电化学性能。GVO电极的高比表面积、良好的离子扩散能力和结构稳定性，使其在能量存储领域具有重要价值。此外，其制备过程的简化和高效率，也为大规模生产和商业化应用提供了可能。未来，GVO有望成为推动绿色能源技术发展的关键材料之一，为可持续能源系统提供可靠的支持。