一、研究背景

如今，鋰離子電池（LIB）因其高能量密度和令人印象深刻的循環(huán)穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于電動汽車和便攜式電子設(shè)備中。然而，有限的鋰資源和安全問題極大地阻礙了鋰離子電池的未來發(fā)展。最近，鈉離子電池 (SIB)、鉀離子電池 (KIB) 和鋅離子電池 (ZIB)等替代設(shè)備已成為下一代儲能系統(tǒng)的理想候選設(shè)備。特別是水性鋅離子電池，由于鋅金屬具有氧化還原電位低（與標(biāo)準(zhǔn)氫電極相比為-0.76 V）、理論容量超高（820 mA h g-1）、資源豐富、安全性高和成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，已顯示出更大的潛力。最近的研究進(jìn)展主要集中在開發(fā)高效 ZIB 的高性能陰極上，目前已開發(fā)出多種材料，如錳化合物、普魯士藍(lán)類似物、有機(jī)聚合物、和釩基氧化物。在這些材料中，包括 V2O5、VO2 和 V2O3 在內(nèi)的釩氧化物因其多種晶體結(jié)構(gòu)和價態(tài)而具有高可逆容量和突出的速率性能，因而前景廣闊。然而，氧化釩陰極的實(shí)際應(yīng)用仍然受到其固有缺陷的嚴(yán)格限制，例如，低電導(dǎo)率導(dǎo)致的 Zn2+/電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)遲緩，以及循環(huán)過程中嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)退化導(dǎo)致的穩(wěn)定性差。

為解決這些問題，人們開發(fā)了多種策略，如設(shè)計納米級尺寸的材料、加入金屬離子和構(gòu)建復(fù)合材料，以顯著提高氧化釩的電化學(xué)性能。其中，層狀氧化釩陰極的制造顯示出明顯的優(yōu)勢，因?yàn)槎S結(jié)構(gòu)可提供豐富的活性位點(diǎn)并增加接觸面積，從而促進(jìn)電解質(zhì)溶液的滲透并適應(yīng)充放電過程中的體積變化。同樣，將釩氧化物與納米碳（如石墨烯、碳納米管和多孔碳）結(jié)合在一起也被證明能有效促進(jìn) Zn2+/電子傳輸并保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，這得益于納米碳優(yōu)異的導(dǎo)電性和較高的化學(xué)穩(wěn)定性。然而，通過低成本和簡便的方法獲得適合工業(yè)應(yīng)用的高效層狀/納米碳氧化釩復(fù)合陰極仍然是一項挑戰(zhàn)。這些陰極大多是通過高能耗、多步驟、長生產(chǎn)時間和產(chǎn)生污染物的程序合成的，這嚴(yán)重限制了水性 ZIB 的進(jìn)一步發(fā)展。

與傳統(tǒng)加熱工藝相比，閃蒸焦耳加熱（FJH）的超高溫和超快加熱/淬火速率（超過 105 K s-1 量級）簡化了繁瑣的加熱步驟，降低了能耗，從而使功能材料的合成更加簡便、經(jīng)濟(jì)和有效。因此，閃速焦耳加熱技術(shù)作為一種前景廣闊的合成策略已被廣泛用于制造新型納米材料。例如，Luong 等人證明了利用廉價碳源進(jìn)行 FJH 可在一秒鐘內(nèi)獲得克級數(shù)量的石墨烯。最近，Li 等人報道了在金屬鹽溶液中通過 FJH 方法在十幾秒內(nèi)在碳布基底上超快原位合成過渡金屬層狀氫氧化物，制備的樣品用作 ZIB 的陰極時表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

在這項工作中，我們展示了通過 FJH 程序處理商用 V2O5 粉末，在 2.5 秒內(nèi)輕松、超快地制造出由層狀堆疊 VO2/V2O5 微結(jié)構(gòu)和類石墨烯碳納米片（標(biāo)記為 VOG）組成的復(fù)合陰極。在此過程中，FJH 的瞬時高溫加熱和淬火提供了足夠的能量，使商用 V2O5 粉末通過熔化、還原和聚集轉(zhuǎn)化為層狀堆積的 VO2/V2O5 微結(jié)構(gòu)。同時，V2O5 粉末的熔化會蝕刻底層石墨紙基底的表面，從而將石墨烯類碳納米片引入到復(fù)合材料中。在用作水性 ZIB 的陰極時，所得到的 VOG 復(fù)合材料在 0.2 A g-1 的條件下可提供 459 mA h g-1 的速率容量，并且在高電流密度和低電流密度條件下都具有顯著的循環(huán)穩(wěn)定性（在 1.0 A g-1 條件下循環(huán) 2500 次后為 355.5 mA h g-1，循環(huán) 10,000 次后為 169.5 mA h g-1）。 5 mA h g-1），這是由于層疊 VO2/V2O5 異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有豐富的存儲點(diǎn)和內(nèi)置電場，以及類石墨烯碳納米片具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，從而加速了電子/鋅離子的轉(zhuǎn)移，緩解了結(jié)構(gòu)退化。這項工作為獲得高性能氧化釩基陰極以實(shí)現(xiàn)高效 ZIB 開辟了一條簡便、高效的途徑。

二、摘要

釩氧化物一直被認(rèn)為是非常有前途的水性鋅離子電池（ZIB）陰極。然而，由于需要成本低廉、簡單高效的制備方法，獲得適合工業(yè)應(yīng)用的高性能氧化釩基陰極仍然是一項重大挑戰(zhàn)。在此，我們介紹了一種簡便、快速的復(fù)合陰極合成方法，它由層狀堆疊的 VO2/V2O5 和類石墨烯碳納米片組成，利用閃蒸焦耳加熱策略處理商用 V2O5 粉末，僅需 2.5 秒即可完成。在用作 ZIB 的陰極時，所產(chǎn)生的復(fù)合材料在 0.2 A g-1 的條件下可提供 459 mA h g-1 的同等速率容量，在 1.0 A g-1 的條件下循環(huán) 2500 次后可提供 355.5 mA h g-1 的顯著循環(huán)穩(wěn)定性，在 10 A g-1 的條件下循環(huán) 10000 次后可提供 169.5 mA h g-1 的顯著循環(huán)穩(wěn)定性。進(jìn)一步的電化學(xué)分析表明，這種令人印象深刻的性能得益于層疊 VO2/V2O5 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的豐富位點(diǎn)和內(nèi)置電場以及類石墨烯碳納米片的優(yōu)異導(dǎo)電性，從而加速了電荷轉(zhuǎn)移并減輕了結(jié)構(gòu)退化。這項工作為超快、低成本制造高性能氧化釩基復(fù)合陰極，實(shí)現(xiàn)高效 ZIB 提出了一種獨(dú)特的方法。

三、結(jié)論

總之，我們通過 閃蒸焦耳加熱設(shè)備 展示了一種由層狀堆疊的 VO2/V2O5 微結(jié)構(gòu)和類石墨烯碳納米片組成的復(fù)合材料的簡便、超快合成方法。作為水性 ZIB 的陰極，制備的復(fù)合材料在 1.0 A g-1 下循環(huán) 2500 次后達(dá)到了令人欽佩的穩(wěn)定性，即 355.5 mA h g-1；在 10 A g-1 下循環(huán) 10000 次后達(dá)到了 169.5 mA h g-1。進(jìn)一步的電化學(xué)測量結(jié)果表明，之所以能取得如此優(yōu)異的性能，是因?yàn)閷盈B VO2/V2O5 異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有豐富的位點(diǎn)和內(nèi)置電場，從而加速了電子/Zn2+ 的轉(zhuǎn)移，減輕了結(jié)構(gòu)退化，同時類石墨烯碳納米片也具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。這項工作為獲得高性能氧化釩基陰極以實(shí)現(xiàn)高效 ZIB 提供了一種新穎而有效的方法。

圖1.制備VOG復(fù)合材料的示意圖。

圖2.商用 V2O5（a）和 VOG 復(fù)合材料（b-d）的 SEM 圖像；VOG 復(fù)合材料的能量色散光譜（EDS）圖（e）和 HRTEM 圖像（f-i）。