ChemSusChem：镁离子预嵌入的钒酸铵用于水系锌离子电池高性能正极

水系锌离子电池因其安全、环保、低成本等众多优势而备受关注。然而，正极材料电化学性能不理想是影响水系锌离子电池广泛应用的主要阻碍之一。拥有低成本、大层间距特性的钒酸铵（NH₄V₄O₁₀）作为高容量嵌入型锌离子电池正极材料得到了研究者们的广泛关注，但是其结构稳定性差，电子传输效率低等问题使得NH₄V₄O₁₀的电化学性能依然有很大的提升空间。

图1. NHVO和Mg-NHVO的电荷密度分布图以及在5 A g⁻¹ 电流密度下的长循环性能

基于此，武汉理工大学安琴友研究员与合作者报道了一种镁离子预嵌入的钒酸铵纳米棒(Mg-NHVO)作为水系锌离子电池的高性能正极材料。通过电化学分析和密度泛函理论计算等，证明了预嵌入镁离子可以有效改善NH₄V₄O₁₀ (NHVO)的反应动力学和结构稳定性。基于单根纳米器件的测试结果，Mg-NHVO的固有电导率提高了5倍，有效改善了原始NHVO电子电导率低的问题。组装电池后，Mg-NHVO在不同电流密度下，容量均有大幅度提升。在5 A g^-1的大电流密度下，Mg-NHVO循环 6000次后仍能保持152.3 mAh g^-1的高比容量，远高于NHVO (在相同条件下仅表现出30.5 mAh g^-1的比容量)。在完全放电的状态下，锌离子在Mg-NHVO体相内的扩散系数为8.42×10^-12 cm² s^-1，相对于NHVO提高了230%。DFT计算表明，预嵌入的镁离子可以与钒氧层的电子云重叠，这不仅有效提升了晶体结构中钒氧层的反应稳定性，并且提高了材料在费米能级上的态密度，进一步改善了Mg-NHVO的反应动力学。此外，作者通过原位XRD和原位拉曼光谱等表征手段，揭示了Mg-NHVO在水系锌离子电池中的两相晶体结构演化过程，同时也证明了水分子会在充放电过程中可逆脱嵌。本研究为提高钒酸铵的电化学性能提供了一种简单有效的方法，并加深了对层状钒基材料在水系锌离子电池中反应机理的认识。

论文信息

Mg²⁺ Ion Pre-Insertion Boosting Reaction Kinetics and Structural Stability of Ammonium Vanadates for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries

Dr. Han Tang, Feiyang Chao, Hongyu Luo, Dr. Kesong Yu, Dr. Juan Wang, Huibiao Chen, Runmin Jia, Dr. Fangyu Xiong, Dr. Yuqiang Pi, Prof. Ping Luo, Prof. Qinyou An

ChemSusChem

DOI: 10.1002/cssc.202300403