近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院高国副研究员团队在能源与燃料领域国际知名期刊《Journal of Energy Storage》上发表了题为 “Pre-intercalation strategy in vanadium oxides cathodes for aqueous zinc ion batteries: Review and prospects”（水系锌离子电池中钒氧化物正极材料的预嵌入策略：回顾与展望）的长篇综述论文。论文重点介绍了不同的预嵌入物种在钒氧化物正极材料中的作用以及其在构建高性能水系锌离子电池上所取得的系列研究进展。

研究背景

水系锌离子电池（ZIBs）凭借其高安全性、低成本和环境友好等本征优势在储能领域引起了广泛关注。其中，具有高比容量、开放性结构以及多价态的钒基材料在众多正极中脱颖而出。然而，诸如钒的溶解和严重的容量衰减等问题极大地限制了它们的进一步发展以及商业化应用。因此，通过改性策略助力高性能的钒氧化物正极显得尤为重要。近年来，客体物种预插入策略为解决上述瓶颈问题提供了一种有效的解决方案，这不仅在很大程度上增强了材料的结构稳定性以及加速了电荷转移，而且还提高了其比容量，同时实现了稳定循环。

研究内容

论文首先回顾了不同新型二次金属离子电池的本征物性参数以及锌离子电池的详细发展历程，随后对典型钒氧化物的类型、结构特征以及电化学特性进行了讨论。针对钒氧化物材料现存的问题（钒的溶解、电化学性能差、结构不稳定、副产物的形成、Zn²⁺迁移动力学缓慢以及强静电相互作用等），高国团队进一步分析了客体物种预嵌入策略助力高性能水系锌离子电池发展的内在原因并展开系列讨论，包括金属离子、水分子以及有机物种等的预嵌入。论文还基于这些最新的研究进展提出了水系锌离子电池在未来发展中应着重考虑的方向（正极材料、机理研究、电解液和锌负极以及商业化应用）。

Li、Na、K、Zn和Mg金属在离子半径、标准电极电位、比容量和理论体积容量等物性参数方面的对比

锌基电池的发展简史

总结展望

论文表明尽管阳离子、水分子、有机分子等客体可以成功地作为钒氧化物材料的“支柱”，有效地稳定基体的晶体结构，抑制基体材料的溶解，增强正极的电导率和反应动力学，从而实现电池优异的综合电化学性能。然而，仅通过客体预嵌入很难实现正极材料电化学性能的跨越式提升，往往还需要通过纳米结构调控、复合导电聚合物、构建氧空位等来协同改性，而且仍有许多问题尚未得到根本解决。因此，为了避免这些问题，未来需要在现有研究的基础上加大研究力度以实现综合电化学性能的突破，可以从以下几个方面着手：①正极材料（抑制钒的溶解、设计高电压、高容量和高能量密度、实现电极结构的优化等）；②机制研究（应用更先进的表征技术，结合理论计算等）；③电解液和锌负极（如解决锌枝晶、HER、腐蚀等关键问题）；④推进商业化应用。

面向水系锌离子电池的总结与展望

目前，通过预嵌入客体物种来构建新型钒基材料从而助力高性能水系锌离子电池的发展已经被证实为一种不错的改性策略。然而，通过综合分析，进一步系统和科学地研究水系锌离子电池还是十分有必要的，这对实际的商业化应用以及大规模推广具有重要意义。

研究团队：上海交通大学电子信息与电气工程学院感知学院博士生周涛为论文的第一作者，高国副研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和季丰电子交叉学科基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.est.2024.110808