水系锌离子电池（AZIBs）是一种前景广阔的能源存储系统，因其高能量密度、低成本和非可燃性，在电动汽车、电网储能以及便携式电子设备等领域具有重要应用。与传统的锂离子电池相比，锌离子电池在电解液的导电性方面具有明显优势，水系电解液的离子导电性可高达1 S·cm⁻¹，而非水系电解液的离子导电性通常仅为1–10 mS·cm⁻¹。然而，尽管水系锌离子电池在离子导电性上具有优势，但金属离子扩散的高活化能（Ea）以及固体-电解质界面的电荷转移动力学限制了其超快充电性能，尤其是对Zn²⁺等多价离子的扩散挑战。
成果简介为了克服这些挑战，近年来，学术界一直致力于开发新型材料以降低金属离子在固体材料中的扩散障碍。因此，东北师范大学刘益春（Yichun Liu）院士团队、邵长路教授、李兴华教授等人合作在Nature Communications期刊上发表了题为“Amorphous organic-hybrid vanadium oxide for near-barrier-free ultrafast-charging aqueous zinc-ion battery”的最新论文。
该团队设计并合成了AOH-VO，这种材料采用一维链条结构，形成无序的原子/分子级孔隙，促进了分层的离子扩散通道，减少了Zn²⁺离子与固体基体的相互作用。通过这一创新结构，AOH-VO显著降低了Zn²⁺离子的扩散活化能（Ea），使得Zn²⁺在固体中的扩散Ea降至7.8 kJ·mol⁻¹，而正极-电解质界面的扩散Ea也仅为6.3 kJ·mol⁻¹，均远低于传统锌离子电池电解液的Ea值（13.2 kJ·mol⁻¹）。
本研究通过这种设计，AOH-VO材料显著提高了电池的超快充电性能，实验结果表明，Ah级袋式电池在9.5分钟内即可充至81.3%的容量，且在5000次循环后保持了90.7%的容量。此外，AOH-VO的接近无障碍的Zn²⁺离子动力学为超快充电电池技术提供了新的思路。这些研究成果为开发稳定的超快充电金属离子电池提供了宝贵的理论依据和技术路线。
（1）实验首次提出并实现了无定形有机-混合钒氧化物（AOH-VO）作为超快充电水系锌离子电池（AZIBs）的正极材料，得到了极低的Zn²⁺扩散活化能（Ea），显著提升了电池的充放电性能。
（2）实验通过设计具有一维链条的无序结构，创建了原子/分子级的微孔，促进了分层离子扩散通道，从而有效降低了Zn²⁺与固体基体的相互作用。这种结构显著减少了Zn²⁺离子在固体中的扩散能垒，达到了7.8 kJ·mol⁻¹，远低于传统晶态氧化物的扩散能垒。
（3）实验还通过测试Zn²⁺在正极-电解质界面上的扩散，发现其Ea值为6.3 kJ·mol⁻¹，这一数值明显低于水系锌离子电池电解液的Ea（13.2 kJ·mol⁻¹）。这一特性使得AOH-VO正极能够实现超快的充放电性能。
（4）实验验证了AOH-VO电池的电化学性能，发现其在Ah级袋式电池中，9.5分钟内即可充至81.3%的容量，并且在5000次循环后保持90.7%的容量，展现了优异的循环稳定性和快速充电能力。
图文解读
图1：从VEG到AOH-VO的转变
图2：AOH-VO微观结构的直接观察
图3：AOH-VO电极在充放电过程中的电化学动力学
图4：AOH-VO在水系锌离子电池（AZIBs）中接近无障碍的Zn²⁺动力学
图5：组装的硬币电池和Ah级快充双层袋式电池的AOH-VO正极电化学性能
总结展望本文报道了一种无定形有机-混合钒氧化物（AOH-VO），其通过随机组装1D-D-VO₅链条形成了丰富的原子/分子级孔隙，这些孔隙可以充分暴露活性位点给电解液。最重要的是，它能显著降低Zn²⁺从电解液扩散到固体中的活化能（Ea），界面过程的Ea为6.3 kJ·mol⁻¹，固体内部迁移的Ea为7.8 kJ·mol⁻¹。
这些值显著低于电解液中的Ea（13.2 kJ·mol⁻¹），表明Zn²⁺动力学几乎没有能量障碍，从而实现了超快充放电过程。此外，Zn²⁺与骨架之间的相互作用减弱，增强了稳定性，表现出在100 A·g⁻¹下超过17,000次的循环稳定性。组装的袋式电池在2 A·g⁻¹下具有2.04 Ah的容量（约为0.1 A·g⁻¹下容量的81.3%），且仅需9.5分钟即可充电，并在超过5000次循环后稳定保持性能。
这些结果突显了AOH-VO在稳定、安全和超快充电水系锌离子电池（AZIBs）中的潜力。本研究为推动超快充电金属离子电池中的离子动力学提供了创新的见解，并为未来的发展开辟了有前景的道路。
文献信息Liu, M., Li, X., Cui, M. et al. Amorphous organic-hybrid vanadium oxide for near-barrier-free ultrafast-charging aqueous zinc-ion battery. Nat Commun 15, 10769 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55000-8
