近日，南京邮电大学材料科学与工程学院、有机电子与信息显示国家重点实验室马延文教授、赵进教授团队在水系锌电池领域取得了最新研究进展，相关成果以“Tunnel-Oriented VO2 (B) Cathode for High-Rate Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表在国际学术期刊Advanced Materials（《先进材料》）上。重点实验室马延文教授、赵进教授和南京大学王学斌教授为论文共同通讯作者，博士生何倩为论文第一作者。
水系锌离子电池由于高安全性、高理论容量和低成本等优势，在未来的大规模能源存储领域具有广阔的应用前景，然而由于锌离子高的电荷密度，在嵌入过程中往往会和正级主体材料之间发生强的静电作用，造成缓慢的离子传输进而影响其倍率性能。因此探究高性能正极材料是实现水系锌离子电池发展的关键。钒基材料由于晶体结构多样、容量高、成本低等特点受到了广泛关注，其中层状结构和隧道型结构钒基化合物具有开放的晶体结构框架，有利于实现更高的容量和倍率性能。与层状结构相比，隧道型钒氧化物在锌离子不断地嵌入/脱出过程中表现出更好的晶格稳定性，因此有利于实现更稳定的电化学性能。对于层状结构钒氧化物，通过预先插入客体离子或分子的策略可有效扩大层间距从而提升离子传输速率。然而，对于隧道结构材料来讲，其隧道尺寸较为固定，因此发展提升隧道结构钒基化合物的离子传输动力学方法意义重大。
针对上述挑战，团队提出通过定向电极内的离子传输隧道以提升电极倍率性能的策略，实现了VO2 (B)正极倍率性能的极大提升。VO2 (B)由于较大的隧道半径和稳定的晶体结构而备受关注，该研究团队合成了（00l）晶面主导的VO2 (B)纳米带，并通过调节VO2 (B)纳米带表面碳层厚度实现了其组装形貌从单分散到团聚结构的转变。具有分散形貌的VO2 (B)纳米带(VO2-D)在电极内倾向于水平排列，从而实现具有较大隧道半径的沿c轴离子扩散通道定向排布，实现了定向和快速的离子传输动力学，因此表现出超高的倍率性能。而团聚形貌的VO2 (B)纳米带（VO2-A）在电极内沿c轴离子传输通道为各向同性排布，无择优取向，离子传输动力学慢。（00l）晶面主导的且具有分散形貌的二氧化钒（VO2-D）样品在0.1和10.0 A g-1的电流密度下，容量分别为420.8和344.8 mAh g-1，在10.0 A g-1电流密度下循环5000次后容量保持率为84.3%。这为提升隧道结构钒氧化物的倍率性能和促进水系锌离子电池的进一步发展具有指导意义。
VO2 (B)形貌相关的电极排列方式对隧道取向和离子扩散行为影响的示意图
（撰稿：赵进 编辑：陈宁娜 审核：凌海峰）