海胆状有机阳离子预嵌入水合氧化钒助力高性能水系锌离子电池

　　针对水系锌离子电池(AZIBs)中钒氧化物正极材料电子/离子传导性差、循环稳定性不足等问题，广西自然科学基金资助团队通过水热法构建了Me4 N+ /Et4 N+ 预嵌入的海胆状水合氧化钒(TEA-VOH)。该材料独特的形貌促进电解液渗透，扩大的层间距(13.5?)加速Zn2+ 扩散，在8A g-1 下循环3000次仍保持84.8%容量，为高性能AZIBs正极设计提供新思路。

　　

随着化石能源过度使用引发的环境问题日益严峻，风能、太阳能等可再生能源的开发成为全球焦点。然而这些能源的间歇性特性亟需高效、安全的储能系统支撑。水系锌离子电池(AZIBs)凭借锌负极的低氧化还原电位(?0.76V vs SHE)、高理论容量(820mAh g^?1
)和资源丰富等优势脱颖而出。但正极材料性能瓶颈制约其发展——钒氧化物虽具多价态特性，却面临导电性差、离子迁移阻力大和结构不稳定等挑战，导致循环过程中容量快速衰减。

广西自然科学基金项目团队创新性地采用水热法，以四乙基氯化铵(Et₄
NCl)为结构导向剂，成功制备出海胆状有机阳离子预嵌入水合氧化钒(TEA-VOH)。该材料通过三重协同效应突破性能瓶颈：独特的海胆状形貌提供超大比表面积促进电解液渗透；有机阳离子预嵌入将层间距从11.7?扩展至13.5?，显著降低Zn²⁺
扩散能垒；Et₄
N⁺
的"支柱效应"维持循环过程中层状结构稳定。电化学测试显示，TEA-VOH在0.5A g^?1
下展现460mAh g^?1
的高容量，8A g^?1
大电流循环3000次后容量保持率高达84.8%，远超未改性VOH材料。通过ex-situ XRD和XPS技术首次证实其储能机制为Zn²⁺
/H⁺
协同嵌入/脱出反应。

研究采用水热合成、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等关键技术。通过对比Me₄
N⁺
/Et₄
N⁺
改性效果，发现Et₄
N⁺
能诱导形成更规整的海胆状结构，其长径比优化为3:1，优于TMA-VOH的2:1。

材料与方法
采用改进水热法：将V₂
O₅
与H₂
O₂
混合后加入Et₄
NCl溶液，120℃反应6小时获得棕黑色沉淀。通过控制有机阳离子浓度实现形貌调控。

结果与讨论
结构表征显示TEA-VOH呈典型海胆状分级结构，纳米针长度约2μm。XRD证实(001)晶面间距扩大至13.5?，FTIR在1480cm^?1
处出现Et₄
N⁺
特征峰。电化学测试揭示其电荷转移电阻(R_ct
)仅38Ω，远低于VOH的105Ω。动力学分析表明电容贡献率达78.6%，证实快速表面控制反应占主导。

结论
该研究开创性地将有机阳离子预嵌入策略与形貌调控相结合，解决了钒基材料导电性差和结构坍塌的核心问题。TEA-VOH展现的"结构-性能"关系为设计下一代AZIBs正极提供范式，其简易的制备工艺更具产业化潜力。未来可通过调控有机阳分子结构进一步优化层间化学环境，推动AZIBs在智能电网等领域的应用。