高性能宽温域锌离子电池：K+/C3N4共插层钒酸铵正极材料的协同效应与反应动力学优化

本研究针对水系锌离子电池(AZIBs)正极材料NH4V4O10(NVO)存在的不可逆脱氨、结构坍塌和反应动力学迟缓等问题，创新性地通过K+和C3N4共插层策略构建了层间距可调的KNVO-C3N4纳米片正极。该材料在室温下展现228.4 mAh g-1(20 A g-1)的优异倍率性能和10,000次循环稳定性，同时在-20℃至60℃极端环境下仍保持高容量，为开发宽温域高性能储能器件提供了新思路。

　　

水系锌离子电池(AZIBs)因其高安全性和低成本成为储能领域的研究热点，但正极材料的发展长期受限于容量衰减和低温性能差等瓶颈。其中，层状钒酸铵(NH₄V₄O₁₀)虽具有9.8 ?的大层间距，却面临循环过程中不可逆脱氨导致的骨架坍塌难题，更棘手的是强静电作用会阻碍Zn²⁺的快速迁移。如何通过材料设计同时解决结构稳定性和反应动力学问题，成为该领域的关键科学挑战。

在这项发表于《Nano-Micro Letters》的研究中，Daming Chen团队开创性地提出"双插层"工程策略。研究人员采用水热法合成K⁺预插层的KNVO前驱体，随后通过低温搅拌将石墨相氮化碳(C₃N₄)嵌入层间，构建了层间距可调的KNVO-C₃N₄异质结构。通过X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)确认层间距从9.96 ?扩展至10.62 ?，结合X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振(EPR)证实氧空位浓度显著提升。电化学测试与分子动力学(MD)模拟相结合，系统评估了材料在不同温度下的储能行为。

3.1 微观结构与组分分析

XRD显示(001)晶面左移证实层间距扩大，HAADF-STEM证明K和C₃N₄的均匀分布。XPS显示V 2p结合能负移，O 1s谱中氧空位比例从NVO的18.7%提升至KNVO-C₃N₄的29.3%，EPR信号增强进一步验证该结论。

3.2 电化学性能

KNVO-C₃N₄在20 A g^-1下容量达228.4 mAh g^-1，是纯NVO的3倍。10,000次循环后容量保持率81.3%，能量密度达452.6 Wh kg^-1。低温性能尤为突出，-20℃时仍保持111.3 mAh g^-1的容量。

3.3 反应动力学机制

GITT测试显示Zn²⁺扩散系数提升2个数量级(7.62×10^-7 cm² s^-1)。DFT计算表明共插层使Zn²⁺扩散能垒从0.78 eV降至0.32 eV，静电相互作用减弱。

3.5 极端环境性能

组装的软包电池在180°弯曲后仍保持90%容量，-20℃和60℃下分别实现208.6 mAh g^-1和111.3 mAh g^-1的可逆容量，离子电导率在-20℃维持在2.30 mS cm^-1。

该研究通过精准调控层间化学环境，首次揭示了K⁺与C₃N₄的协同作用机制：K⁺主要提升比容量，而C₃N₄侧重增强结构稳定性。分子动力学模拟证实存在最佳层间距(10.62 ?)，过大的层间距反而会阻碍离子传输。这种"双管齐下"的设计策略为开发适应极端环境的高性能储能器件提供了普适性方案，特别是为寒带地区和热带地区的能源存储提供了技术储备。研究还开创性地采用PAM凝胶电解质解决低温电解液凝固问题，这些创新使该成果在可再生能源并网和电动汽车等领域具有广阔应用前景。