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EMD | 清华大学黄正宏/秦周阳/江苏大学张文杰等研究论文：氧缺陷/垂直取向纳米片结构提升锌电倍率性能

已有 2121 次阅读 2026-7-31 10:59 |个人分类:能源材料与器件|系统分类:论文交流

1 导读

柔性水系锌离子电池凭借高安全性和低成本，被视为可穿戴储能器件的理想选择，但其发展仍受限于离子传输缓慢、倍率性能不足。针对此问题，该研究构筑了兼具氧缺陷和垂直排列多孔纳米片结构的自支撑氮化钒/碳纤维（VN/CF）电极。借助缺陷促进VN体相Zn²⁺扩散、垂直取向阵列结构加快VN表面Zn²⁺传输，二者协同促进整体Zn²⁺传输动力学，实现优异倍率性能；组装的柔性器件在弯曲状态下仍保持稳定性能，展现出在可穿戴设备中的应用潜力。

2 背景介绍

随着可穿戴电子器件、柔性传感系统和便携式智能终端的快速发展，市场对兼具安全性、柔韧性和快速充放电能力的新型储能器件提出了更高要求。水系锌离子电池因具有成本低、安全性高、环境友好等优点，成为柔性储能领域的重要研究方向之一。然而，在实际应用推进过程中，电极材料仍面临锌离子传输效率不足、倍率性能不理想等问题。如何通过材料设计提高离子传输动力学、改善倍率性能，是该领域持续关注的核心问题。本研究以氮化钒/碳纤维（VN/CF）复合体系为基础，通过“缺陷工程和有序结构构筑” 协同提高离子传输动力学，助力高倍率柔性锌离子电池。一方面，在VN晶格中引入氧缺陷，促进Zn²⁺在VN体相中扩散；另一方面，在柔性碳纤维基底上构筑垂直取向排列的多孔VN纳米片阵列，进一步提高Zn²⁺沿VN表面的传输。该设计有效提升了电极的倍率性能，为高性能柔性储能电极开发提供借鉴。

3 图文介绍

1. 电极结构设计：氧缺陷与垂直多孔纳米片阵列构筑

首先在气流纺丝得到的碳纤维基底上原位生长垂直排列的V₂O₅纳米片模板，随后经高温氨气处理，获得具有氧缺陷和垂直多孔纳米片阵列的VN/CF自支撑正极。碳纤维网络提供连续导电骨架和良好柔性；氧缺陷和垂直排列的多孔VN纳米片阵列协同提高Zn²⁺传输动力学。

图1. 电极结构设计和表征。（a）VN/CF-T合成的示意图。VN/CF-500（b）、VN/CF-600（c）和 VN/CF-700（d）的SEM。（e）水热合成后产物的TEM。VN/CF-600 的TEM（f）、HRTEM（g）和SAED（h）。

图2. XRD（a）、N₂吸附/脱附曲线（b）、拉曼光谱（c）、电子顺磁共振（EPR）（d）、N 1s（e）和 V 2p（f）XPS。

2 电化学性能：优化后的VN/CF-600具备优异的倍率性能

电化学测试表明，具有高浓度氧缺陷和垂直纳米片阵列结构的VN/CF-600电极表现出优异的倍率性能和循环稳定性。在半电池测试中，其在10 A g⁻¹的高电流密度下仍具备263.4 mAh g⁻¹的高比容量。在5 A g⁻¹下循环8000次后，仍保持92.3%的容量保持率。

图3. 电化学性能。（a-b）VN/CF-600 的CV和GCD曲线。（c）倍率性能。（d-f）循环性能。

图4. 100次循环后，对VN/CF-600 电极进行的非原位表征。（a）GCD曲线及特定电压选择。（b）非原位XRD 图谱。不同电压下的 SEM 图像：1.5 V（放电前）（c‒d），0.01 V（完全放电）（e‒f），以及 1.5 V（完全充电）（g‒h）。（i）不同循环次数后的XRD图谱。

3. 机理分析：氧缺陷与垂直纳米片阵列协同提高Zn²⁺传输动力学

VN/CF-600中具有更高浓度的氧缺陷。氧缺陷首先会引起VN晶格膨胀，从而拓宽Zn²⁺传输通道；同时，氧取代部分氮后还会诱导形成额外空位缺陷，为Zn²⁺迁移提供更多扩散路径，加快Zn²⁺在VN体相中的扩散动力学。垂直排列的VN纳米片阵列有效降低了离子传输曲折度，相比传统无序堆积电极，这种阵列结构更有利于Zn²⁺快速传输，提升Zn²⁺在VN表面扩散效率。另一方面，薄层化、多孔化的纳米片结构可暴露更大且更易接近的电化学活性表面，增加反应界面，提升电极材料利用率，促进材料本征容量的充分释放。总体而言，氧缺陷主要促进体相扩散，垂直排列多孔纳米片阵列主要强化界面传输与表面扩散，二者协同提升整体Zn²⁺传输效率，最终赋予VN/CF-600优异倍率性能。

图5. VN/CF-T 的反应动力学。（a）在不同扫描速率下的CV曲线。（b）1 mV s^-1 扫速下的电容贡献。（c）不同扫描速率下VN/CF-600的电容行为贡献比率。（d）放电/充电的 GITT 图谱。放电（e）和充电（f）过程中的Zn²⁺扩散系数。

4. 器件验证：柔性软包电池在弯曲状态下稳定运行

在器件层面，以VN/CF-600为自支撑正极组装了柔性软包水系锌离子电池。该器件在10 A g⁻¹下仍可输出249.7 mAh g⁻¹的比容量，在5 A g⁻¹循环3000次后容量保持率达到86.8%。在不同弯曲半径和反复弯折测试后，器件依然保持较高容量，且能够稳定点亮LED，展现出优异的电化学性能和机械稳定性。

图6. 以VN/CF-600为自支撑正极组装的柔性锌离子电池。（a）0.1 A g^-1电流密度下的GCD曲线。（b）倍率性能。（c）5 A g^-1电流密度下的的循环性能。（d）不同扫描速率下的CV曲线。（e）0.2 mV s^-1 扫速下的电容贡献。（f）不同扫描速率下的电容行为贡献比率。（g）EIS曲线和（h）不同弯曲状态下的循环性能。（i）不同应变下的比容量。（j）不同弯曲半径下电池稳定点亮LED。

4 总结与展望

该工作构筑了一种具有氧缺陷和垂直多孔纳米片阵列结构的自支撑VN/CF-600正极材料。氧缺陷能够有效促进VN体相离子扩散，垂直纳米片阵列改善表面离子扩散，二者协同提升整体Zn²⁺传输效率，改善电极材料倍率性能。以VN/CF-600为正极材料组装的柔性锌离子电池在高倍率、长循环和弯折条件下均表现出优异性能。此研究为高性能柔性水系锌离子电池的设计提供了借鉴。

5 通讯作者简介

黄正宏，清华大学材料学院研究员。兼任中国电工学会碳石墨专委会委员，中国电工学会超级电容器与储能技术专业委员会委员，中国硅酸盐学会矿物材料分会理事，中国硅酸盐学会非金属矿分会理事，中国非矿协会石墨专委会理事。长期从事新型碳材料和石墨矿物材料研究，主持国家自然科学基金、国家863计划课题、国家科技支撑计划课题和国家重点研发计划课题等多项国家级科研项目，在国内外学术刊物上发表 300多篇论文，授权30多项中国发明专利。曾获得国家发明奖二等奖、天津市自然科学奖一等奖、教育部自然科学一等奖和非金属矿科学技术奖技术发明奖一等奖，2009年入选教育部新世纪人才支持计划。

张文杰，2020年于清华大学获得博士学位，随后在日本国立物质材料研究所（NIMS）从事博士后研究工作。现为江苏大学讲师，主要研究方向储能材料与器件（研究体系包括锂/钠/锌电池、微型超级电容器）、生物质材料改性、无线通讯器件设计及应用。截至目前，以第一/通讯作者在ACS Nano、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Energy Materials and Devices、Carbon、Chemical Communications、Ceramics International等期刊发表论文十余篇。

期刊简介

Energy Materials and Devices是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，清华大学康飞宇教授担任主编。本刊是一本瞄准能源材料前沿领域的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。

期刊于2023年9月创刊，现已被ESCI、Scopus、CAS、DOAJ、Inspec等数据库收录，入选2024中国科技期刊“卓越行动计划”二期高起点新刊项目。