近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室王义展教授课题组在水系锌离子电池研究方面取得新进展。研究成果以“Hydrophobic Two-Dimensional Layered Superstructure of a Polyoxometalate Cluster as the Cathode Material for Aqueous Zinc-Ion Batteries”为题，发表在《Nano Lett.》上。
近年来，水系锌离子电池因其组装简便、环境友好和固有的安全特性，在大规模储能领域展现出巨大潜力。尽管具备这些优势，高能量和功率密度正极材料的开发仍面临挑战。钒氧化物因其高理论容量、低成本、资源丰富及多样的价态和配位结构，成为重要的水系锌离子电池正极材料。然而，其潜力受到低工作电压、反应动力学差和循环稳定性不佳的限制。低电导率、结构退化和不可逆相变、pH波动引起的副产物积累以及不可避免的钒溶解等问题限制了其实际应用。
多金属氧簇因其结构多样性和多重氧化还原活性位点在能源存储应用中备受关注。作为电子海绵，多金属氧簇能够容纳大量电子而几乎保持结构不变，并且离域的电子结构允许更快的电子传输。作为一类重要的多金属氧簇，多钒氧簇在水系锌离子电池中表现出高比容量和良好的循环性能。多钒氧簇具备优异的氧化还原特性，允许可逆的多电子氧化还原过程。然而，多钒氧簇在水系电解液中的溶解趋势尚未得到充分解决，结构退化和副产物积累仍然是多钒氧簇基正极材料存在的挑战。
基于此，该论文构建了一种多钒氧簇基疏水性二维层状超结构。这种超结构（TPA-V10）是通过具有疏水三联苯基团的有机阳离子（TPA）和无机簇V10O286-（V10）在水溶液中自组装而成。TPA-V10的疏水性显著减轻了V10在水系电解液中的溶解，改善了TPA-V10电极在循环过程中的结构稳定性，抑制了相变和副产物的积累。相比于V10簇，二维层状超结构提供了更大的表面积，改善了电子导电性，并促进了V10簇在层间的无定形排列，从而加速了活化过程，提高了比容量并加快了反应动力学。此外，TPA-V10展示了显著的循环稳定性和长的使用寿命（在10 A g–1下10,000次循环），同时提高了工作电压（0.94 V对比0.81 V）。本研究为多钒氧簇基正极材料的开发提供了新的思路。
论文第一作者为吉林大学物理学院2021级凝聚态物理专业硕士研究生丹新兴，通讯作者为吉林大学物理学院王义展教授。该工作得到了国家自然科学基金面上项目的资助，重庆市自然科学基金和中央高校基本科研专项资金的大力支持。
论文全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00802
