鋰離子電池作為市場上可充電電池的首選，無疑具有很多優點，比如較高的比容量和比能量。不過隨著應用的擴展和研究的深入，其缺點也逐漸暴露出來。鋰離子在正負極間穿梭脫嵌，易在負極表面形成針狀“鋰枝晶”，從而刺穿隔膜造成短路，加上易燃有機電解液的使用大大降低了鋰電池的安全性。此外，鋰離子電池的電極須在無水環境中製備，導致生產成本增高，電池成本昂貴。科學家們一直在尋找有希望代替鋰離子電池的可充電電池體系，更安全、成本更低、更綠色環保的水系電池是其中的熱門候選。
水系電池。圖片來源：Chem. Rev. [1]
水系電解液的離子電導率可以比有機電解液高2個數量級，因此水系電池通常具有更高的功率密度。同時，水系電池具有安全、電極易製取和成本低等優勢。不過水系鋰離子電池和鈉離子電池的發展並不順利，金屬過於活潑導致充放電過程中有很多的副反應（如質子和離子的共嵌入反應等）、電位窗口較窄，於是科學家將眼光越來越多地投向其他金屬元素。金屬鋅在一次電池（鹼性鋅錳電池）中表現出優異的性能，加之價格低廉，從理論上說，它可以用於水系二次電池的電極，製造出更安全更便宜的水系鋅離子電池（zinc-ion battery, ZIB）。
不過，水系鋅離子電池的研究尚處於起步階段，還有很多問題亟待解決。例如電極表面“鋅枝晶”的形成、自腐蝕導致的電池自放電、充放電過程中產生的ZnO或Zn(OH)
2等產物造成的鋅電極鈍化等等。而鋅離子是否能在正極材料中順利的嵌入/脫嵌更是成為其發展所必須考量的關鍵因素之一。很多研究者看好水系鋅離子電池，除了之前提到了安全性高和成本低以外，另一個重要原因是與一價金屬離子相比，鋅離子擴散係數大，半徑也很接近鋰離子，嵌入正極材料晶體結構需要的結合能更低，因此可以快速充放電。目前，報道的鋅離子電池正極材料主要有二氧化錳（MnO2）、五氧化二釩（V2O5）和金屬鐵氰化物等。其中V2O5是一種很有前途的電極材料，具有相互連接四方錐VO5單元組成的層狀結構，廣泛應用於鋰離子電池，也逐漸成為多價金屬離子電池的理想選擇。然而，V2O5導電性不高，本身結構並不穩定，離子擴散係數低，導致電極的循環穩定性能較差。
（D，離子擴散係數；ΔE，嵌入離子嵌入材料晶體結構中所需要的最低結合能）單價離子和多價離子的電化學信息。圖片來源：無機材料學報[2]
近日，中南大學梁叔全教授（點擊查看介紹）團隊針對這些問題提出了一種巧妙的解決方案。他們將鋰離子（Li+）嵌入水合五氧化二釩（V2O5•nH2O）的層狀結構之間製備了Li xV2O5•nH2O正極材料，有效的解決了傳統V2O5作為水系鋅離子電池正極在充放電過程中離子擴散緩慢、材料結構不穩定等問題，展現出較高的比容量和良好的循環性能與倍率穩定性。該成果發表在Energy & Environmental Science 雜誌上，碩士研究生楊永強為第一作者，周江特聘教授為共同通訊作者。
ZIB電池結構示意圖及電極材料表徵測試。圖片來源：Energy Environ. Sci.
已經有研究表明，嵌入V2O5層間的水分子在有效擴展和維持V2 O5基材料的層間空間中起著至關重要的作用。因此作者設想，在V2O5•nH2O的層狀結構中嵌入Li+將會進一步擴大層間距離，有助於離子擴散。作者所用的電極材料製備方法並不複雜。首先利用水熱法，將Li+嵌入V2O5•nH2O的層狀結構中。然後將產物在空氣中退火以提高結晶性，製備得到了摻雜Li+且保留結構水分子的LixV2O5•nH2O材料。根據退火溫度（200/250/300 ℃）的不同，得到的材料分別表示為LVO-200/250/300。
LVO-250製備示意圖。圖片來源：Energy Environ. Sci.
對於退火前後的材料進行表徵，可以發現只有LVO-250呈現一種獨特的棉花狀結構，由納米片不規則地組裝而成。隨後，研究者以金屬鋅為負極、2M ZnSO4做電解質，測試了系列材料的電化學性能，LVO-250也表現更優。在1A•g-1電流密度下，基於LVO-250的電池首次循環的放電容量達到407.6 mA•h•g-1，50個循環之後緩慢降低至279 mA•h•g-1。同時，LVO-250電極表現出良好的循環性能，穩定循環500次（5 A•g-1）和1000（10 A•g-1）次後，比容量可以保持在232 mA•h•g-1和192 mA•h•g-1。而且，實驗證明LVO-250電極在0-50 ℃的溫度範圍內都表現出了優秀的電化學性能，使得這種ZIB電池有著更加光明的實際應用前景。
基於LVO-250的水性ZIB電池電化學性能測試。圖片來源：Energy Environ. Sci.
為了解釋LVO-250電極的電化學反應動力學和儲鋅機理，研究者對不同充放電狀態下的材料進行了XRD、XPS和TEM測試。結果發現在放電過程中，Zn離子嵌入LVO-250，晶格間距從0.212 nm擴大到0.253 nm，同時XRD測試中的8.2° 和 32.1°的兩個峰強度和位置也會相應改變。有趣的是，這兩個特徵峰正好可以與Zn
0.25V2O5•nH2O和Zn0.29V2O5•nH2O兩個材料相吻合。充放電循環後，晶格間距和峰位置表現出可逆的變化，說明了LVO-250材料在循環過程中的穩定性和安全性。
非原位XRD、XPS和TEM測試。圖片來源：Energy Environ. Sci.
小結
面對鋰離子電池價格不斷攀升的現狀，鋅資源豐富廉價，同時水系電解液不存在易燃易爆的隱患，其特點適合大規模儲能體系。梁叔全教授團隊製備的鋅離子電池正極材料LixV2O5•nH2O具有優異的電化學性能，又具有良好的溫度適應性，而且所用的ZnSO4電解液也比大多數文獻中Zn(CF3SO3)2電解液成本低很多。此外，梁叔全教授團隊使用Li+嵌入V2O5 •nH2O，增加了層間距以提高Zn2+的擴散速度，這種改進離子擴散的策略為今後其他電極材料的設計和製備提供了啟發。
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