结构优化的超小型氧化钒集成氮掺杂珠链状中空碳纳米纤维用于先进锌离子电池柔性正极

本文报道了一种通过静电纺丝与模板法结合制备的氮掺杂珠链状中空碳纳米纤维（NHCNFs）封装超小型氧化钒（V2O3）复合材料（V2O3@NHCNFs），并经由电化学氧化策略实现结构演化（VOH@NHCNFs）。该设计通过纳米晶粒、超薄多孔碳层及结构水引入显著提升了锌离子电池（AZIBs）的储能容量（443.8 mAh·g?1@0.5 A·g?1）、倍率性能与循环稳定性（4000次循环容量保持率76%），为高性能柔性电极设计提供了新范式。

　　

Highlight

本工作通过静电纺丝与模板法协同策略，首次成功构建了自支撑珠链结构V₂O₃@NHCNFs复合纳米纤维。其丰富的介孔结构使比表面积达到传统V₂O₃@NCNFs的六倍，并显著加速了向VOH@NHCNFs的有利相变过程。在柔性V₂O₃@NHCNFs电极中，超小型氧化钒纳米点被均匀限制在超薄多孔碳层内，形成了三维导电网络，有效促进了离子/电子传输，并抑制了体积膨胀与电解液侵蚀。

Results and discussion

图1展示了V₂O₃@NHCNFs与VOH@NHCNFs的制备流程示意图。以NH₄VO₃为钒源、PTFE为造孔模板、PVP为氮掺杂碳源，通过静电纺丝与热退火技术协同制备前驱体。无机草酸与NH₄VO₃化合物热分解产生还原性气体（如一氧化碳），在碳化过程中将钒物种还原为V₂O₃，同时PTFE分解形成丰富介孔结构。电化学氧化处理后，V₂O₃@NHCNFs发生结构演化，生成含结构水的水合氧化钒（VOH），显著提升了锌离子存储性能。

Conclusion

综上所述，本研究首次通过静电纺丝与模板法成功设计并开发了自支撑珠链结构V₂O₃@NHCNFs复合纳米纤维。该结构具有超高比表面积和快速相变能力，其超小型氧化钒纳米点与超薄多孔碳层的协同作用有效增强了电极的导电性、离子扩散动力学与结构稳定性。VOH@NHCNFs电极在0.5 A·g^?1下表现出443.8 mAh·g^?1的高可逆容量，在20 A·g^?1下经过4000次循环仍保持76%的容量，展示了卓越的储能性能与柔性应用潜力。