石河子大学能源与材料学院黎阳副教授与华东理工大学化学化工学院武文俊教授携手合作，运用谷氨酸作为结构调节剂，通过水热合成策略，成功实现了铵钒酸盐的维度转变，并诱导产生了高密度的V/O缺陷，这一创新结构（V/O-NHVO）不仅显著提升了V4+的含量，还大幅增强了材料的氧化还原动力学和反应可逆性，对应水系锌离子电池展示出卓越的电化学性能：在0.1 A g⁻¹的电流密度下，放电容量达到了567.9 mAh g⁻¹，能量密度为433 Wh kg⁻¹，而峰值功率密度更是高达3575 W kg⁻¹，经过2000次充放电循环后，依然保持了87.9%的容量保持率。近期，相关成果以“Dimensional Engineering-Driven V/O Defect Modulation for Ultrahigh-Energy-Density Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题发表于国际著名期刊Small。
材料合成与表征
研究团队精确控制谷氨酸比例（铵钒酸盐与谷氨酸摩尔比从1:0.25调整至1:1.5），成功合成了一系列NHVO材料。随着谷氨酸浓度的增加，前驱体溶液由橙黄色变为墨蓝色，表明钒的还原程度逐渐加深。根据扫描电镜的分析，随着谷氨酸含量的增加，观察到材料的表面形貌发生了显著变化，从初始的不规则纳米片结构，逐渐演变为均匀的纳米方块和纳米花状结构，最终转变为无定形纳米片。X射线衍射分析表明，NHVO-1样品呈现（NH4）2V4O9和NH4V4O10的混合相结构，而NHVO-2至NHVO-5主要与（NH4）2V4O9相吻合。当谷氨酸浓度进一步增加（NHVO-6）时，材料呈现无定形结构。这种相变现象证明了谷氨酸在调控晶体结构方面的双重作用：既可作为结构导向剂，又能够驱动从混合相向单一（NH4）2V4O9相的转变。拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱分析证实，随着谷氨酸含量增加，材料中的层间水含量显著增多。这种层间水可充当“润滑剂”，减少Zn2+与钒氧框架间的静电相互作用。热重分析进一步量化了层间水含量，结果显示，在100 - 400°C温度范围内，质量损失百分比从NHVO-1的7.6%增至NHVO-6的11.3%。电子顺磁共振与X射线光电子能谱分析结果显示，V/O缺陷浓度随谷氨酸比例的增加而显著升高。NHVO-5样品呈现出最高的氧缺陷与钒缺陷浓度，故被选定为V/O-NHVO样品开展后续电化学性能测试。
电化学性能分析
循环伏安测试结果表明，V/O-NHVO样品具有最大的积分面积，这表明其电化学活性最优。在1 A g-1电流密度下进行的循环稳定性测试显示，V/O-NHVO在200次循环后容量保持率达81%，远高于N-NHVO（37%）及V-NHVO（76.7%）。恒电流充放电曲线表明，V/O-NHVO具有最小的电压间隙（0.177 V），这表明其极化程度最低。自放电测试结果显示，V/O-NHVO在48小时后的库伦效率达86.66%，这证明其结构稳定性更高。倍率性能测试表明，V/O-NHVO在0.1至5.0 A g-1的不同电流密度下均展现出优异的容量保持能力，当电流密度恢复至0.1 A g-1时，容量恢复至531.8 mAh g-1。
动力学分析
研究团队通过分析峰值电流与扫描速率之间的关系发现，V/O-NHVO的b值介于0.5 - 1之间，这表明其电容行为由伪电容和扩散控制共同主导。随着扫描速率的提升，V/O-NHVO的伪电容贡献率显著提高，在1.0 mV s-1时达到79% 。Galvanostatic间歇滴定技术分析表明，V/O-NHVO的Zn2+扩散系数（4.35 × 10-9 cm2 s-1） 显著高于N-NHVO（8.32 × 10-10 cm2 s-1）和V-NHVO（2.14 × 10-10 cm2 s-1）。电化学阻抗谱显示V/O-NHVO具有最小的电荷转移电阻，表明其更高效的电荷转移动力学。
Zn2+存储机制研究
研究团队借助非原位XRD、XPS和TEM技术，深入探究了V/O-NHVO在充放电过程中的结构演变。结果表明，Zn2+的插入与提取伴随着晶格间距的可逆变化，这证明了其具有高度可逆的Zn2+存储机制。在放电过程中，部分V5+被还原为V4+和V3+，以此维持电荷平衡；而在充电过程中，钒的氧化态可逆地恢复至初始状态。 XPS谱图显示，在完全放电状态下，与H2O相关的信号强度增强，这表明有Zn(H2O)n2+插入。即便处于全充电状态，残余水分子仍会保留在结构中，起到稳定Zn2+扩散的作用。
水系镁离子电池性能验证
V/O-NHVO在水系镁离子电池中也亦表现出优异性能。在1 A g⁻¹电流密度下历经200次循环后，容量保持率高达90.6%。倍率性能测试显示，即使在5.0 A g-1的高电流密度下，仍能保持65.2 mAh g-1的容量。GITT分析表明，V/O-NHVO的平均Mg2+扩散系数为3.89 × 10-9 cm2 s-1，这一数据不仅证明了其优异的Mg2+迁移能力，而且与当前镁离子电池研究中遇到的扩散速度慢的问题形成鲜明对比。
综上，本文开发了一种利用谷氨酸作为结构调节剂的水热合成策略，通过维度工程调控V/O缺陷，显著提升了水系锌离子电池的铵钒氧化物正极材料的能量密度和电化学性能。 这一研究不仅为高性能水性多价离子电池正极材料的设计开辟了新路径，也为推动大规模储能技术的发展筑牢了坚实根基。
文章链接：https://doi.org/10.1002/smll.202509759
（图文：黎阳；排版：孙亚军；初审：潘薇；复审：陈世刚、丁凯、吴沁菀；终审：滕婉蓉）
