中科大余彦ACS Nano：零应变 V2O2.8@多孔网状碳的氧缺陷工程用于超稳定钾存储

钾离子电池（KIB）因其高能量密度和低成本而成为大规模储能装置的候选者。由于钾离子半径较大，导致钾离子在嵌入电极材料晶格过程中扩散动力学缓慢，导致电极粉化和循环稳定性差。

在此，中国科学技术大学余彦教授团队利用中子衍射法测定不同氧空位浓度（V₂O_2.9，、V₂O_2.8，和V₂O_2.7）的三氧化钒负极发现，V₂O_2.8负极实现了扩大的层间距和高效的离子/电子传输，表现出良好的钾存储性能。原位X射线衍射表明V₂O_2.8是零应变负极，在充放电过程中体积应变为0.28%。

密度泛函理论计算表明，氧缺陷对钾离子的影响主要体现在降低带隙、提高电子转移能力和降低钾离子的扩散能垒。因此，纳米V₂O_2.8嵌入多孔网状碳(V₂O_2.8@PRC)电极具有高可逆容量(0.05 A g^-1时362 mAh g^-1)、超长循环稳定性(2 A g^-1时3000次循环后容量保持98.8%)和优异的软包全电池性能(0.05A g^-1时221 mAh g^-1)。

图1.不同电极的制备示意图

总之，该工作通过氧缺陷工程构建的纳米级 V₂O_3-x 负极实现了优异的电化学性能。具有优化氧空位的V₂O_2.8能有效促进反应动力学并提高离子扩散系数。相比之下，有限的氧空位（V₂O_2.8）难以容纳离子半径大的钾离子嵌入，而过多的氧空位（V₂O_2.7）则反应动力学缓慢。原位XRD和非原位XPS分析分别揭示了V₂O_2.8@PRC在循环过程中的零应变特性（晶体体积应变 0.28%）和可逆电子转移。

DFT计算进一步详细阐述了氧空位对K扩散动力学和V₂O_3-x电子结构的调节作用。氧空位的多方面效应使V₂O_2.8@PRC能够进行高效的离子/电子传输和稳定的结构，实现高可逆容量（0.05 A g^-1时为362 mAh g^-1）和超长循环稳定性（3000次循环后容量保持率为98.8%）。此外，该工作还演示了（软包）全电池的应用，说明了氧缺陷工程策略对高性能KIB的重要性。

图2. V₂O_2.8@PRC的电化学性能

Oxygen Defect Engineering toward Zero-Strain V2O2.8@Porous Reticular Carbon for Ultrastable Potassium Storage, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c00706

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