摘要：调节和提高给定阴极的工作电压是在不牺牲功率输出的情况下提高二次电池能量密度的重大挑战。化学配位强烈地影响阴极材料中氧化还原阳离子的d轨道的能级，这与其工作电压有关。
调节和提高给定阴极的工作电压是在不牺牲功率输出的情况下提高二次电池能量密度的重大挑战。化学配位强烈地影响阴极材料中氧化还原阳离子的d轨道的能级，这与其工作电压有关。
2024年10月31日，同济大学裴艳中教授、刘超峰特聘研究员与美国华盛顿大学曹国忠教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Impacts of distorted local chemical coordination on electrochemical performance in hydrated vanadium pentoxide》的研究论文，Huanhuan Niu为论文第一作者，裴艳中教授、刘超峰特聘研究员与曹国忠教授为论文共同通讯作者。
裴艳中，同济大学教授。于2008年获得中国科学院上海硅酸盐研究所材料物理与化学工学博士学位，在美国加州理工学院及密西根州立大学从事科研工作约5年，2012年加入同济大学。
裴艳中教授的具体的研究对象主要集中在半导体材料，研究内容主要包括：1.先进的材料制备方法；2.电、热、光、磁及微观结构的表征方法；3.能源材料性能所隐含的基本物理及化学问题；4.理论指导下的新型能源材料设计和开发；5.其它应用背景的半导体新材料的研究与开发。裴艳中教授自2006年起共发表科技论文90余篇，其中以第一或通讯作者在Nature、 Joule、 Nat. Commun.PNAS、Energ Environ Sci、Adv (Funct, Energ)Mater、NPG Asia Mater等著名刊物及影响因子>～10的期刊上发表论文50余篇。
刘超峰，同济大学特聘研究员。2016年于中国科学院北京纳米能源与系统研究所获得博士学位，之后在西雅图华盛顿大学做研究助理工作四年。
刘超峰博士的研究内容主要聚焦于电化学储能材料及传感的设计开发，探究材料晶体结构、晶体场强度、电子结构与储能材料和传感器件响应机制的内在关联。应用涉及二次电池、电容器和工业传感器等。在Chemical Reviews、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Materials Today、Nano Energy和Energy Storage Materials等期刊发表SCI文章50余篇。
曹国忠，美国华盛顿大学终身讲席教授，师从无机材料泰斗严东生院士，1982本科毕业于华东理工大学，1991年在荷兰爱因霍芬科技大学获得博士学位。
曹国忠教授主要从事纳米材料在能源领域的应用，涉及太阳能电池、锂离子电池和超级电容器等方面。曹国忠教授先后担任Annual Review of Nano Research主编，Journal of Nanophotonics、Science China Materials副主编，Nano Energy、Energy Storage Materials、Advanced Electronic Materials、Particles and Particle Systems Characterization、Electron等国际期刊编委。
与提高比容量的集中研究相反，研究人员选择双层水合五氧化二钒作为模型，通过局部化学配位操作来调节d轨道能级，在可充电水性锌离子电池中实现更高的工作电压。
在此，研究人员表明，通过采用X射线吸收光谱（XAS）和对分布函数（PDF）技术，可以分析[VO6]八面体的畸变并提取化学键信息，破译阴极材料中化学配位和工作电压之间的相关性。
这些基本原理可以指导设计和开发具有更高能量和功率密度的RAZIBs。
图1：Ch2-VOH和Ch-VOH的结构信息
图2：VOH、Ch-VOH和Ch2-VOH的局部结构信息
图3：结构和轨道的示意图
图4：两个样品的元素化学状态和价带
图5：水性锌离子电池中Ch2-VOH和Ch-VOH阴极的电化学性能
综上，本论文研究了通过局部化学配位操控调节双层水合五氧化二钒的d轨道能级，以提高可充电水性锌离子电池的运行电压和能量密度。
研究结果表明，通过有机阳离子预插层处理，实现了更高效的Zn2+扩散动力学和更高的工作电压，以及优异的循环稳定性，为高能量和功率密度的可充电电池阴极材料设计提供了新的思路。
该研究揭示了局部化学配位环境变化与电化学性能之间的直接联系，特别是通过预插层有机阳离子引起的[VO6]八面体畸变，导致d轨道能级的二次分裂，从而提高了电池的开路电压和中点电压。这一发现不仅加深了对水性锌离子电池阴极材料设计的理解，还为开发具有更高能量效率和长循环寿命的下一代电池技术提供了重要的指导和应用前景。
Niu, H., Liu, H., Yang, L. et al. Impacts of distorted local chemical coordination on electrochemical performance in hydrated vanadium pentoxide. Nat Commun 15, 9421 (2024)
来源：华算科技