协同作用的钾离子嵌入与聚偏氟乙烯（PVP）改性：提升水系锌离子电池中V₂O₅正极的性能

时间：2026年2月1日

来源：Journal of Electroanalytical Chemistry

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水系锌离子电池中通过K+预插层和聚乙烯吡咯烷酮涂层改性钒基氧化物V2O5制备出PKVOH材料，在0.1 A g-1电流密度下实现356 mAh g-1的高容量，经4000次循环后容量保持率高达188 mAh g-1，揭示了K+和PVP协同作用增强结构稳定性的机制。

周子航|陈志|赖素文|卢宏坤|黄俊通|杨慧勇|陈晓峰|孙琦|周慧|钱文涛

南昌航空大学材料科学与工程学院，中国南昌 330063

摘要

水基锌离子电池（AZIBs）凭借其固有的安全性、成本效益和环境可持续性，成为未来储能领域极具前景的技术。基于钒的氧化物由于具有丰富的隧道结构和高电极电位而具有巨大的应用潜力。然而，基于钒的氧化物的主要局限性在于其较差的电导率和循环稳定性。因此，要推进AZIBs的发展，需要开发能够在保证长期结构稳定性的同时实现高容量Zn²⁺储存的负极材料。本研究通过K⁺插层和水热反应对V₂O₅进行PVP涂层改性，成功制备了层状纳米片结构的PKVOH。K⁺的支撑作用减缓了基于钒的材料的快速结构崩塌，而PVP改性则优化了材料的形态，使其具有较高的比表面积，从而直接创造了更多的电化学活性位点。PKVOH电极表现出出色的循环稳定性，在0.1 A g⁻¹的电流下实现了高达356 mAh g⁻¹的比容量。值得注意的是，在5 A g^{−1⁻¹。此外，通过原位XRD分析探究了Zn²⁺的储存机制，为提高基于钒的材料的离子掺杂性能提供了新的见解。}

引言

近年来，可再生和清洁能源系统受到了全球越来越多的关注[1]，[2]，这推动了对高功率和先进储能技术及电池设备的需求不断增加[3]。水基锌离子电池（AZIBs）因其安全性、成本效益和环境可持续性等独特优势，被认为是可持续能源解决方案的有希望的技术[4]。在各种新兴的AZIBs负极材料中，基于钒的氧化物因其独特的结构特征而脱颖而出，这些特征包括丰富的氧空位、多样的钒配位环境以及可调的氧化态，从而有利于高效储存Zn²⁺[5]。

然而，基于钒的负极材料的发展受到一些固有缺点的限制，这些缺点限制了其电化学性能[6]。这些限制主要包括较差的电导率、在长期循环过程中容易发生晶体结构崩塌，以及在水性电解质中活性材料严重溶解[7]。这些问题常常导致不希望的体积膨胀和不可逆的相变，从而导致容量迅速衰减[8]，[9]。为了解决这些挑战，大量研究致力于开发提高基于钒的负极的电化学性能和反应动力学的策略[10]，[11]。金属离子预插层是一种调节钒氧化物层间距和电子结构的关键策略，因为它可以扩大层间距、加速离子扩散并增强结构稳定性。Bai等人[12]通过水热法合成了具有多孔花状形态的K_0.39V₂O₅·0.52H₂O纳米材料。由于层间距的扩大和丰富的氧空位的协同作用，该材料在1 A g^{−1^{−1^{−1⁺预插层往往会引发晶格畸变，这可能导致在高倍率循环下发生局部结构崩塌或相分离[13]。这一问题进一步加速了钒在电解质中的溶解，并影响了循环的可逆性[14]，[15]，[16]。为了减轻金属离子预插层引起的过度晶体膨胀，聚维酮（PVP）由于其独特的两亲分子结构和强氢键能力而成为一种优良的改性剂[17]。Chen团队报道的一种负极材料[18]在0.2 A g^{−1^−1⁻¹}}}}

因此，通过Zn²⁺预插层和PVP涂层的协同作用，显著提高了V₂O₅的锌储存性能。所得电极在5 A g^{−1^{−1⁺与H₂O的共同插层机制。除了材料开发之外，本研究还展示了这种新型结构工程策略在同时提高AZIBs电极完整性和电荷传输动力学方面的有效性。}}

VOH、KVOH和PKVOH的合成

首先在室温下连续搅拌的情况下，将PVP溶解在去离子水中，制备出浓度为10 wt%的均匀水基聚维酮（PVP M_w = 1,300,000）溶液。随后，将商业V₂O₅粉末以1:50的质量比加入该溶液中，并以1000 r/min的速度剧烈搅拌1小时。所得混合物通过离心分离后冻干12小时，得到橙红色中间体粉末，记为PVO。接着，将PVO和KCl...

结果与讨论

通过X射线衍射（XRD）确定了制备样品的相组成。结果数据总结在图1a中。对于KVOH和VOH，在15.3°、20.2°、21.7°、26.1°和31.0°处观察到了特征峰，这些峰可以很好地与V₂O₅（JCPDS No. 41–1426）相对应。这一结果证实，水热处理和K⁺掺杂均未引起V₂O₅的相变。加入PVP后，复合材料PKVOH表现出额外的特征...

结论

本文提出了一种通过水热合成制备高性能基于钒的负极的合理策略。PKVOH电极在0.1 A g^{−1^{−1^−1⁻¹}}

CRediT作者贡献声明

周子航：撰写——初稿，软件使用，数据分析。 陈志：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，指导，研究，资金获取。 赖素文：资源提供，研究支持。 卢宏坤：验证工作。 黄俊通：撰写——审阅与编辑，指导，数据分析，概念构思。 杨慧勇：数据可视化。 陈晓峰：数据分析。 孙琦：数据可视化。 周慧：软件应用。 钱文涛：研究支持。