對高性能電化學(xué)器件的追求突出了對具有高容量/倍率的創(chuàng)新電極材料的探索，具有多電子轉(zhuǎn)移的電荷存儲反應(yīng)是獲得更高能量密度的有效途徑。V₂O₅是一種潛在的多電子反應(yīng)材料，但在深度放電時存在不可逆相變和緩慢的動力學(xué)問題。

在此，中科院大連化物所吳忠?guī)浹芯繂T等人合理地設(shè)計和合成了雙層V₂O₅和石墨烯（V₂O₅/石墨烯）的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)高能大功率儲鋰的可逆和快速多電子反應(yīng)。具體而言，二維V₂O₅/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)是使用一個控制良好的兩步過程合成的，包括冷凍干燥和隨后的熱退火。

通過快速冷凍干燥，氧化石墨烯（GO）納米片作為二維模板可均勻地負(fù)載釩源。在隨后的熱退火過程中，GO發(fā)生脫氧和NH₄VO₃分解，最終得到異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

其中，NH₄VO₃分解產(chǎn)生的NH₃也可作為 GO的還原劑。研究表明，具有豐富異質(zhì)界面的超薄雜化結(jié)構(gòu)提供了V₂O₅的可逆結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并促進(jìn)了離子/電子傳輸和界面電荷轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)了具有顯著贗電容貢獻(xiàn)的高倍率多電子轉(zhuǎn)移鋰存儲。

圖1. 二維V₂O₅/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電荷存儲機(jī)制研究

因此，二維V₂O₅/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)在1 C時可提供361 mAh g^-1的高容量，并在100 C的超高倍率下容量仍保持為175 mAh g^-1，優(yōu)于大多數(shù)插層金屬氧化物。

同時，基于該電極材料計算的能量密度高達(dá)840 Wh kg^-1，優(yōu)于鋰離子電池中傳統(tǒng)正極材料LiMn₂O₄、LiFePO₄和 LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂等，且超過了其他典型多電子反應(yīng)材料的報道值。

此外，通過解耦這種具有高容量和寬電位窗口的多電子反應(yīng)，作者構(gòu)建了以預(yù)鋰化V₂O₅/石墨烯作為正負(fù)極的對稱全電池，其顯示出卓越的能量/功率密度和5 A g^-1下循環(huán)15000次的長壽命（容量保持率為79%）。

總之，這項工作強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為克服反應(yīng)可逆性和動力學(xué)限制以在氧化還原活性材料中實現(xiàn)高倍率多電子轉(zhuǎn)移電荷存儲策略的潛在重要性，并提供了構(gòu)建對稱全電池的新范例。

圖2. 基于二維V₂O₅/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的對稱全電池性能

Enabling rapid pseudocapacitive multi-electron reaction by heterostructure engineering of vanadium oxide for high-energy and high-power lithium storage, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE02888C