王春生/李镇江/孟阿兰EnSM: PVP诱导的协同工程用于增强镁离子的存储和耐久性

镁离子电池（MIB）为安全和大规模储能提供了巨大的潜力，但其固有的缺点如动力学缓慢、循环寿命差和正极比容量较低等限制了其实际应用。

在此，青岛科技大学李镇江教授、孟阿兰教授及美国马里兰大学王春生教授等人采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）辅助水热法合成了具有优异镁存储性能的PVP-VS₄正极，通过表征、电化学分析和理论建模的结合揭示了PVP在VS₄中的作用。通过足够的层间距，在PVP-VS₄正极材料中实现了MgCl⁺和Mg²⁺的共插层。

同时，结合由PVP的还原性引起的V³⁺自掺杂、丰富的硫空位和诱导暴露的（020）高指数晶面，导致了MgCl⁺和Mg²⁺的共插层的快速动力学、电解液的渗透、更多的活性位点暴露及嵌入/提取过程中的应变/应力松弛，从而实现了结构的高稳定性。

图1. PVP-VS₄正极的储镁性能

因此，这种新颖的PVP-VS₄正极表现出长期循环稳定性（在5000 mA g^-1时1500 次循环后容量保持80%）和出色的高倍率性能（140 mAh g^-1@ 50 mA g^-1；45 mAh g^-1@ 5000 mA g^-1）。通过恒电流间歇滴定技术（GITT）和DFT计算进一步证实了快速反应动力学，PVP的加入可以显著降低VS₄的带隙并提高MgCl⁺和PVP-VS₄的结合能，有利于提高倍率性能和循环稳定性。

此外，通过一系列非原位研究和类赝电容贡献分析，阐明了储能机制和理想的赝电容行为，并且PVP-VS₄提供了由 PVP 掺入导致的更高的抗自放电能力。本研究探索了一种合成层间膨胀VS₄主体的新方法，这种PVP诱导的协同工程为设计具有增强电化学性能的MIB正极材料提供了指导。

图2. PVP-VS₄的电化学反应机理分析

PVP-Induced Synergistic Engineering of Interlayer, Self-doping, Active Surface and Vacancies in VS₄ for Enhancing Magnesium Ions Storage and Durability, Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.02.023