Angew. Chem. ：氮化碳柱撑钒酸铵助力高性能水系锌离子电池

近年来，能源危机和环境恶化等一系列问题促进了储能系统的发展。水系锌离子电池作为一种先进的储能系统，具有高安全性、低成本等优点，受到了研究人员的普遍关注。钒基氧化物具有可调节的层状结构、高理论容量等优点，被认为是理想的锌离子电池正极材料之一。然而，钒基正极仍然面临层间距狭窄、本征电导率低和钒溶解等挑战，严重降低了其可逆容量和循环寿命。在众多可行性方案中，将离子预嵌入层状钒酸盐的夹层中作为“支柱”可以显著增大层间距，增强离子转移动力学和结构稳定性。

近日，内蒙古大学武利民教授、谷晓俊教授、郭艳副教授以及北京化工大学于乐教授合作，通过自参与水热反应策略合成了氮化碳（C₃N₄）插层的、兼具大层间距和丰富氧空位的钒酸铵（NVO）纳米带，作为高性能水系锌离子电池正极材料。值得注意的是，C₃N₄纳米片可以作为氮源被H₂O₂刻蚀并释放出NH₄⁺离子，促进V₂O₅形成层状NVO。更重要的是，刻蚀的过程中形成的超微C₃N₄纳米片可以原位插入到层状结构中，增加了层间距。此外，柱撑结构可以改变钒离子的化学环境并产生丰富的氧空位，有效提升了材料的导电性。

得益于C₃N₄插层形成的柱撑结构以及丰富的氧空位，NVO正极的离子插层/脱嵌动力学和结构稳定性明显提升。正如预期的那样，所制备的NVO正极在20 A g^-1的大电流密度下显示出高达194.7mAh g^-1的比容量，表现出优异的倍率性能。此外，NVO正极在10 A g^-1的电流密度下可以稳定循环10000次以上，显示出良好的循环稳定性和可逆性。

电化学阻抗谱以及恒流间歇滴定测试结果表明，大层间距以及丰富的氧空位可以有效提升NVO的导电性和电荷/离子传输动力学。此外，基于密度泛函理论的计算结果表明，NVO可以更好的与锌结合，加速电极/电解液界面处的电荷转移。

非原位的X射线衍射和X射线光电子能谱结果表明，NVO在完全循环放电/充电之后，其晶型结构和元素价态未发生明显变化，显示出良好的结构稳定性和可逆性。

基于上述结果，这种C₃N₄插层的、兼具大层间距和丰富氧空位的NVO正极材料表现出显著增强的电荷/离子传输动力学和结构稳定性，可以大幅提升水系锌离子电池的倍率性能和循环寿命。该工作为解决钒基正极材料的固有问题提供了一种新策略。

论文信息

Carbon Nitride Pillared Vanadate Via Chemical Pre-Intercalation Towards High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries

Yue Xu1,†, Guilan Fan1,†, Peng Xiao Sun3,†, Yan Guo1,*, Yangyang Wang1, Xiaojun Gu1,*, Limin Wu1,2,*, and Le Yu3,*

文章的共同一作是内蒙古大学的博士生徐月、樊桂兰博士和北京化工大学博士生孙鹏宵。第一单位是内蒙古大学。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202303529