《Materials Today Energy》：Integrated Vanadium Oxide Cathodes with MXene for Enhanced Zn2+ Storage and Structural Stability
编辑推荐：
摘要在保持结构稳定性的同时实现快速的离子传输动力学，仍然是高容量水系锌离子电池正极面临的关键挑战。本文提出了一种基于MXene的界面工程策略，构建了一种具有快速动力学和强结构稳定性的H2V3O8/MXene/VO2复合正极，从而同时加速了电荷传输并在循环过程中缓解了局部机械应力。
摘要
在保持结构稳定性的同时实现快速的离子传输动力学，仍然是高容量水系锌离子电池正极面临的关键挑战。本文提出了一种基于MXene的界面工程策略，构建了一种具有快速动力学和强结构稳定性的H2V3O8/MXene/VO2复合正极，从而同时加速了电荷传输并在循环过程中缓解了局部机械应力。重要的是，原位XRD和在线光纤布拉格光栅应变监测显示H2V3O8和VO2的晶格响应互补，并且三元正极的应变波动减小。这些结果表明，MXene介导的界面调节有助于在反复的Zn2+插电/拔电过程中实现电荷传输和结构稳定性。因此，该复合正极在0.1 A g?1?1?1?1
引言
随着电化学储能技术的迅速发展，水系锌离子电池（ZIBs）因其固有的安全性、低成本和环保性而受到了广泛关注[1]、[2]、[3]。然而，高容量正极材料的实际应用仍然受到反应动力学缓慢和在反复Zn2+插电/拔电过程中严重结构退化的限制[4]、[5]、[6]。这些问题导致电荷传输受限[7]、[8]、[9]、[10]、电极粉碎[11]、[12]、[13]、[14]、[15]以及容量迅速衰减[16]、[17]、[18]。因此，同时提高反应动力学和结构稳定性是开发高性能ZIB正极材料的关键挑战[19]、[20]、[21]。
人们已经付出了大量努力来解决动力学限制或结构不稳定的问题。导电框架和界面工程可以加速电子传输和离子扩散，而应力缓冲结构和坚固的基底结构有助于减轻机械退化[22]、[23]、[24]、[25]。然而，这些策略通常独立地优化电化学动力学和结构稳定性[26]、[27]、[28]。由于离子插电/拔电过程中电荷传输和结构演变本质上是相互关联的，分离的优化往往无法同时实现高容量、快速动力学和长期 durability[29]、[30]、[31]。因此，建立反应动力学和结构稳定之间的直接关联是一个关键但尚未充分探索的方向[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。
基于钒的氧化物由于其丰富的氧化还原化学性质和多样的结构响应，为探索这种耦合效应提供了一个有吸引力的平台[37]、[38]、[39]。H2V3O8具有丰富的Zn2+储存位点，但在循环过程中会发生层间收缩，而VO2则表现出相反的晶格膨胀行为[40]、[41]、[42]、[43]、[44]。在我们之前的工作中，这种互补的结构演变有效地补偿了应变并显著提高了循环稳定性[45]。然而，MXene在这种多组分系统中的作用尚未得到充分理解。除了众所周知的导电性增强外，MXene是否能够同时调节电荷传输和结构演变，从而实现电化学动力学和机械稳定性的桥梁作用，仍然不清楚。
在这里，我们通过一步高温水热合成策略构建了一种H2V3O8/MXene/VO2复合正极，实现了所有组分的同步成核、生长和界面整合。我们证明了MXene作为多功能中介，连接了反应动力学和结构演变。所得到的正极在0.1 A g?1?1?1?12+的传输并增强了H2V3O8和VO2之间的动态应变补偿，建立了动力学-结构耦合机制。这项工作为设计机械坚固和动力学优良的水系锌离子电池多组分电极提供了新的见解。
章节摘录
H2V3O8的合成
将0.436克V2O5分散在12毫升去离子水中，并转移到一个70毫升特氟龙内衬的双腔高压釜的一个腔室中，同时在相邻腔室中加入12毫升葡萄糖一水合物溶液（0.02 mol L?1）。高压釜加热至240 °C，然后旋转以确保两种前体溶液充分混合，随后进行1小时的水热处理。自然冷却至室温后，通过真空过滤收集产物，并彻底冲洗
结果与讨论
图1a展示了水系ZIBs在实际应用中的关键挑战：反复的Zn2+插电/拔电循环会导致正极体积持续波动，从而引发结构退化和级联故障。这些问题严重影响了基于钒的正极的长期循环稳定性[46]、[47]。因此，在保持高效电荷传输的同时减轻结构应力仍然是一个关键挑战。
结论
总之，这项工作建立了基于MXene的动力学-结构耦合概念，用于复合钒氧化物正极。除了促进电荷传输外，MXene还在界面调节中发挥了重要作用，而H2V3O8和VO2的互补晶格响应有助于在Zn2+插电/拔电过程中减少应变波动。这些发现强调了以耦合方式考虑电化学动力学和结构演变的重要性。
在准备这篇手稿的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来帮助润色英语文本和提高可读性。使用该工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。
Kongjun Zhu：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。Penghua Liang：撰写 – 审稿与编辑，形式分析，数据管理。Zhihan Kong：撰写 – 审稿与编辑，软件，数据管理。Longbiao Yu：撰写 – 审稿与编辑，软件。Yuan Ni：软件，形式分析。Sijia Sun：软件，形式分析。Xinyue Mu：软件，形式分析。Jun Guo：撰写 – 审稿与编辑，方法学，数据管理。Kang Yan：软件，形式分析。Jing Wang：
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了以下机构的财政支持：中国国家自然科学基金（批准号：52372200）、江苏省前沿技术研发计划（批准号：BF2024033）、中国博士后科学基金（批准号：2025M784326）、南京航空航天大学航空航天力学与控制国家重点实验室的研究基金（批准号：MCAS-E-0325G02）以及CPSF博士后奖学金计划（批准号：GZC20262008）。
Dingwei Ji|Penghua Liang|Zhihan Kong|Longbiao Yu|Yuan Ni|Sijia Sun|Xinyue Mu|Jun Guo|Kang Yan|Jing Wang|Pengcheng Liu|Kongjun Zhu
南京航空航天大学航空航天工程学院航空航天力学与控制国家重点实验室，南京，210016，中国
