非晶態(tài)過渡金屬氧化物因其豐富的不飽和懸鍵而具有潛在的理想電化學(xué)特性，因此在儲能設(shè)備中備受關(guān)注。然而，非晶化進(jìn)一步擴(kuò)大了金屬氧化物內(nèi)在電子導(dǎo)電性差的缺點(diǎn)，這導(dǎo)致其倍率能力和功率密度不能令人滿意。

圖1 材料制備及表征

中科院蘇州納米所張其沖、李清文、東南大學(xué)王春雷、新加坡南洋理工大學(xué)Lei Wei等通過對鈣摻雜的VO₂納米陣列進(jìn)行原位電化學(xué)氧化，成功制備出自支撐的非晶態(tài)鈣摻雜V₂O₅（a-Ca-V₂O₅）正極，并用于可穿式水系鋅離子電池（WAZIBs）。研究顯示，鈣的摻入和自支撐結(jié)構(gòu)的構(gòu)建有效地發(fā)掘了非晶態(tài)V₂O₅的潛力，使其能夠充分利用豐富的活性位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高容積容量，同時實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)動力學(xué)以獲得優(yōu)異的倍率性能。

圖2 不同電極的電化學(xué)性能對比

更重要的是，理論計算顯示，Ca的引入可顯著降低VO₂的形成能，并在充放電過程中實(shí)現(xiàn)非晶到晶體的可逆轉(zhuǎn)換化學(xué)反應(yīng)，從而促進(jìn)了a-Ca-V₂O₅的可逆容量。得益于上述優(yōu)勢，組裝的柔性水系鋅離子電池在電流密度為0.1 A cm^-3的情況下實(shí)現(xiàn)了597.22 mAh cm^-3的超高容量和408.37 mWh cm^-3的驚人能量密度。

總體而言，這項(xiàng)工作為設(shè)計具有良好反應(yīng)動力學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的柔性非晶態(tài)氧化釩正極開辟了一條有效途徑，可用于下一代可穿戴式水系鋅離子電池。

圖3 柔性水系鋅離子電池的性能

Emerging Amorphous to Crystalline Conversion Chemistry in Ca-Doped VO2 Cathodes for High-Capacity and Long-term Wearable Aqueous Zinc-Ion Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.20230390