曹国忠/张启龙/王疆瑛ACS Nano: 含丰富氧空位的钒酸铵钾用于快速/稳定储锌

钒基材料因其多价和可调节的离子扩散通道而被认为是有前途的锌离子电池（ZIBs）正极材料，然而锌离子嵌入的缓慢动力学和不太稳定的层状结构仍然是限制其进一步发展的瓶颈。

在此，美国华盛顿大学曹国忠教授、浙江大学张启龙教授及中国计量大学王疆瑛教授等人报道了在NH₄V₄O₁₀（NVO）的夹层中用K⁺部分取代铵离子合成钒酸铵钾（KNVO）纳米阵列，并将其用作ZIBs的正极。电化学测试表明，KNVO电极具有高放电容量（0.1 A g^-1时为464 mAh g^-1）、优异的倍率性能（422 mAh g^-1@0.5 A g^-1；210 mAh g^-1@5 A g^-1）和出色的循环稳定性（5 A g^-1下3000次循环后容量保持90%）。

此外，在457 W kg^-1的功率密度下可实现324 Wh kg^-1的高能量密度，高于最近报道的钒酸铵和预插层钒氧化物。KNVO优异的循环稳定性可能归因于K⁺部分取代NH4⁺后防止了不可逆的脱氨，XRD结果表明KNVO 电极的相得到很好的维持，SEM图像显示KNVO保持初始纳米带形态。

图1. KNVO和NVO电极的电化学性能

此外，作者研究了KNVO电极的电化学动力学。该结果表明，在相同的扫描速率下，KNVO中的电容过程比高于NVO，表明氧空位诱导离子吸收反应促进界面电荷转移和内部离子扩散，从而有助于获得优异的倍率性能。实验数据和DFT计算表明，氧空位和K⁺可以优化扩散路径并降低扩散势垒，从而实现快速和可逆的Zn²⁺（脱）嵌入。

异位XRD、XPS表征表明，可逆的[Zn(H₂O)₆]²⁺/Zn²⁺嵌入/提取过程中没有发生相变。丰富的氧空位允许离子快速扩散，层间空间中适当的K⁺和NH₄⁺可以稳定层状结构。总之，这项工作可以为新兴的水系ZIBs和多价金属离子电池提供有前途的钒酸铵作为高性能正极材料。

图2. KNVO的电荷存储机制研究

Potassium Ammonium Vanadate with Rich Oxygen Vacancies for Fast and Highly Stable Zn-Ion Storage, ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.1c11169

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