发展新能源电动汽车被广泛认为是有效应对能源与环境挑战的重要战略举措。由于磷酸铁锂电池能量密度提升空间有限，随着对动力电池能量密度要求的大幅提升，动力电池向镍钴锰NCM三元材料转换已成为必然选择。然而，安全性较差的有机系电解液仍旧阻碍了锂离子电池迈向大规模商业化应用。鉴于此，发展安全系数高、易于制备、离子电导率高的水系电解液展现出巨大的竞争力。此外，可穿戴式智能储能器件是未来可穿戴电子领域、医学领域不可或缺的重要组成部分，而在可穿戴式储能器件领域中的关键挑战是如何实现电极材料的高面积比容量。

水系锌离子电池以其安全、低成本、环保等独特的特性，在大规模储能和可穿戴储能器件中具有非常诱人的发展潜力。然而，目前水系锌离子电池中的正极材料与锌离子间存在较强地静电相互作用。因此，探索一种合适、高效的正极材料是推动水系锌离子电池发展的关键。层状钒基正极材料，因其具有开放的框架结构、较大的层间距以及钒的多价态等特点，表现出优异的电化学性能，但有关储锌机制的研究未见深入报道。同时，当前大多数电池的研究都强调重量比容量，却忽略了体积比容量和面积比容量等重要指标。开发具有高体积/面积比容量并且能够在高负载量下进行正常充放电循环的水系锌离子电池，仍然具有很大的挑战性。

近日，材料学院程红伟教授、鲁雄刚教授联合Argonne National Laboratory Prof. Jun Lu，通过一步水热法制备了纳米带状Mg_0.26V₂O₅·0.73H₂O (MVO)正极材料，搭载金属锌负极实现高负载量下的高面积比容量水系锌离子电池，并结合系列原位红外、原位拉曼分析和DFT计算，阐明了水合锌离子的储能机制，证明了在充放电过程中Zn²⁺是以水合锌离子的形式脱嵌。水合锌离子的脱嵌可以起到电荷屏蔽的作用，有效降低电极与电解质界面间的库伦排斥力，从而降低离子在正极界面处进行转移的活化能，并减少水合锌离子在脱嵌过程中的去溶剂化损失，实现快速储锌能力。此外，正极材料出色的结构稳定性和较大的层间距也确保了水合锌离子脱嵌的高度可逆性，实现MVO正极材料优异的电化学性能，这项工作为开发高性能水系离子电池提供了新的思路。相关成果以“Reversible (De) intercalation of Hydrated Zn²⁺in Mg²⁺-Stabilized V₂O₅Nanobelts With High Areal Capacity”为题，于9月27日发表在国际著名期刊Advanced Energy Materials上（SCI TOP期刊，IF=25.245）。020资讯网菠菜为第一单位，材料学院硕士生王娜为第一作者，程红伟教授、鲁雄刚教授为共同通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金（51874196、51674164、U1860203）、上海市浦江人才计划（2019PJD015）的资助。

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本文利用简易的水热法制备出纳米带状Mg_0.26V₂O₅·0.73H₂O(MVO)材料，应用于水系锌离子电池的正极。结合原位红外、原位拉曼表征和DFT计算结果，证实在充放电过程中水合锌离子的脱嵌，有效的降低离子转移活化能，实现MVO纳米带在0.05 A g^-1电流密度下，表现出2.12 mAh cm^-2的高面积比容量；在5 mg cm^-2大负载量下，电流密度为10 A g^-1时表现出2500次的优异循环性能。

论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202002293

【团队介绍】

鲁雄刚教授指导下的绿色冶金科研团队，主要从事可控氧流基础理论、绿色冶金新工艺及技术、电化学冶金以及冶金资源综合利用等方面。承担了国家973项目、863项目、国家“杰出青年”科学基金、国家“优秀青年”科学基金、国家自然科学基金重点项目、面上项目、省部级科委重点基础项目等50余项。已由高等教育出版社出版专著一部，申报国家发明专利70余项（授权38项），在国内外重要刊物上发表论文400余篇，论文被SCI、EI收录超550篇次，SCI引用近4000次；曾获国家部委和地方科技进步奖6项，培养博士及硕士50余名。（撰稿 孙强超）