​郭少军/徐斌ACS Nano: V2O5纳米板+MXene自组装实现高性能锌离子电池

水系锌离子电池（AZIBs）是极具吸引力的储能装置，具有提高的安全性和可忽略的环境影响等优点。尽管V₂O₅基正极很有前景，但钒的溶解是实现其稳定性能的主要挑战之一。

在此，北京大学郭少军教授、北京化工大学徐斌教授等人通过范德华自组装方法在V₂O₅纳米板表面设计了一个用于在电化学过程中抑制钒溶解的Ti₃C₂T_x MXene层（VPMX），从而大大提高锌离子的存储性能。

与传统的V₂O₅/C复合材料不同，作者证明了VPMX杂化物为实现高性能AZIB提供了三个显著优势：

（i）在V₂O₅纳米板表面组装MXene层可有效抑制AZIBs中钒的溶解，从而通过保持正极完整性并结合抑制钒溶解来提高电池性能；

（ii）DFT计算表明，MXene层促进了V₂O₅和MXene之间的固-固异质界面处的快速电子转移；

（iii）原位XRD结果表明，MXene层使水分子和Zn²⁺在VPMX杂化物中可逆地共插层/脱嵌并最大限度地减少静电排斥，从而促进电化学动力学，最终获得更好的电池倍率性能。

图1. VPMX73正极的锌存储机制

因此，与纯V₂O₅纳米板（213.2 mAh g^-1）相比，制得的VPMX正极在0.1 A g^-1时具有345.1 mAh g^-1的高初始放电容量和两个明显的倾斜平台，对应于多步Zn²⁺和H₂O插层。当电流密度增加到 5.0 A g^-1时，该正极仍保留了243.6 mAh g^-1的高可逆容量。随着电流密度恢复到 0.1 A g^-1，电极可逆容量稳定在417.5 mAh g^-1。

此外，该VPMX正极在10 A g^-1时显示出超过5000次循环的长期稳定性且容量保持率高达99.5%，超过了其他报道的基于V₂O₅的材料。ORCA计算表明，MXene 涂层可通过结合和抑制水系电解液中溶解的钒离子来减缓电解液污染和pH值变化。总之，这项工作为构建涂层以抑制水系电池及其他电池中的正极溶解提供了一种有效的策略。

图2. V₂O₅纳米板/MXene杂化物中的锌存储性能

Van der Waals Interaction-Driven Self-Assembly of V₂O₅ Nanoplates and MXene for High-Performing Zinc-Ion Batteries by Suppressing Vanadium Dissolution, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c04968