​吴忠帅EES：通过异质结构工程实现快速多电子反应用于高能量/功率储锂

对高性能电化学器件的追求突出了对具有高容量/倍率的创新电极材料的探索，具有多电子转移的电荷存储反应是获得更高能量密度的有效途径。V₂O₅是一种潜在的多电子反应材料，但在深度放电时存在不可逆相变和缓慢的动力学问题。

在此，中科院大连化物所吴忠帅研究员等人合理地设计和合成了双层V₂O₅和石墨烯（V₂O₅/石墨烯）的二维异质结构，以实现高能大功率储锂的可逆和快速多电子反应。具体而言，二维V₂O₅/石墨烯异质结构是使用一个控制良好的两步过程合成的，包括冷冻干燥和随后的热退火。

通过快速冷冻干燥，氧化石墨烯（GO）纳米片作为二维模板可均匀地负载钒源。在随后的热退火过程中，GO发生脱氧和NH₄VO₃分解，最终得到异质结构。

其中，NH₄VO₃分解产生的NH₃也可作为 GO的还原剂。研究表明，具有丰富异质界面的超薄杂化结构提供了V₂O₅的可逆结构转变，并促进了离子/电子传输和界面电荷转移，从而实现了具有显著赝电容贡献的高倍率多电子转移锂存储。

图1. 二维V₂O₅/石墨烯异质结构的电荷存储机制研究

因此，二维V₂O₅/石墨烯异质结构在1 C时可提供361 mAh g^-1的高容量，并在100 C的超高倍率下容量仍保持为175 mAh g^-1，优于大多数插层金属氧化物。

同时，基于该电极材料计算的能量密度高达840 Wh kg^-1，优于锂离子电池中传统正极材料LiMn₂O₄、LiFePO₄和 LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂等，且超过了其他典型多电子反应材料的报道值。

此外，通过解耦这种具有高容量和宽电位窗口的多电子反应，作者构建了以预锂化V₂O₅/石墨烯作为正负极的对称全电池，其显示出卓越的能量/功率密度和5 A g^-1下循环15000次的长寿命（容量保持率为79%）。

总之，这项工作强调了创建异质结构作为克服反应可逆性和动力学限制以在氧化还原活性材料中实现高倍率多电子转移电荷存储策略的潜在重要性，并提供了构建对称全电池的新范例。

图2. 基于二维V₂O₅/石墨烯异质结构的对称全电池性能

Enabling rapid pseudocapacitive multi-electron reaction by heterostructure engineering of vanadium oxide for high-energy and high-power lithium storage, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE02888C