近年来，水系可充电电池因其安全、低成本和环境友好而受到研究者的广泛关注。传统的水系电池采用金属离子作为电荷载体，而铵离子相对于金属离子具有更高的资源丰度、更小的摩尔质量和水合半径等优势。目前对水系铵离子电池电极材料的研究主要集中在正极材料上，负极材料对其电化学性能也起着至关重要的作用。因此，通过结构工程的手段研究设计既具有高比容量又具有良好循环稳定性的负极材料具有重要意义。

大连理工大学孟长功教授与张依福团队设计并合成了具有纳米阵列结构和氧空位的VO₂·xH₂O (d-HVO)，同时在不改变材料的物相的基础上调控了其氧空位含量以实现高效的NH₄⁺存储性能。实验和计算结果表明，d-HVO中适量的氧空位可以提高材料的电导率和NH₄⁺的扩散速率，从而提升材料的电化学性能。在具有中等缺陷含量的d-HVO-2材料中，电化学性能的改善最为显著，在0.1 A·g^-1的电流密度下比容量高达220 mAh·g^-1。此外，基于准固态电解质的柔性PANI//d-HVO^-2电池在不同弯曲条件下均表现出优异的稳定性。该研究为设计和开发高性能NH₄⁺存储电极材料提供了新思路。

图1 (a)样品合成流程图。(b) HVO、d-HVO-1、d-HVO-2和d-HVO-3的XRD谱图，(c) EPR谱图和 (d) XPS图。

图2 (a) d-HVO-2的SEM图像。(b) d-HVO-2中V、O元素的元素分布图。(c)透射电镜图像。(d) HRTEM图像。(e) (d)中红色边框区域的IFFT模式。

图3 HVO和d-HVO的电化学性能。(a)在活性物质正常负载量(2mg)的倍率性能。(b) d-HVO-2在不同电流密度的GCD图。(c)在活性物质大负载量(11mg)的倍率性能。(d) 1 mV·s^-1时d-HVO-2的CV曲线。(e)循环性能。

图4 HVO (a)和d-HVO-2 (b)的差分电荷密度图。(c-f) (c) HVO, (d) d-HVO-1, (e) d-HVO-2和 (f) d-HVO-3的投影态密度图。

图5 (a) d-HVO-2的储NH₄⁺机理。(a) 电流密度为0.1 A·g^-1的GCD曲线。(b)非原位XRD图与图5a中标记点相对应。(c)图5b中矩形阴影下面积的放大。(d)不同状态下的FT-IR光谱。(e) d-HVO-2负极材料的储NH₄⁺示意图。

图6 d-HVO-2//聚苯胺电池的电化学性能。(a)在0.8 mV·s^-1时d-HVO-2和PANI的CV曲线。(b) d-HVO-2//PANI全电池的倍率性能。(c)不同电流密度下的GCD曲线。(d)循环稳定性。(e) d-HVO-2//PANI软包装电池示意图。(f)不同弯曲状态下的柔性d-HVO-2//PANI电池。(g)软d-HVO-2//聚苯胺电池的循环性能。

张依福，大连理工大学化学学院副教授，硕士生导师。主要从事多孔钒氧化物、硅基材料以及碳材料的设计合成与电化学性能的研究。在Electrochemical Energy Reviews, SusMat, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Small, Nano Energy 等期刊共发表 SCI 论文 100 余篇。指导硕士研究生 3 名，同时协助指导博士生 8 名、硕士生 3 名。指导的硕士及博士研究生多次获得国家奖学金，英特尔奖学金以及优秀毕业生。入选斯坦福大学发布的全球前 2％顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists 2022），入选全球顶尖前 10 万科学家榜单，入选 Elsevier 中国高被引学者， RSC 无机化学领域高被引 top 1% 。

Gong J, Bai P, Sun J, et al. Adjusting oxygen vacancy of VO₂·xH₂O nanoarray architectures for efficient NH₄⁺ storage. Nano Research https://doi.org/10.1007/s12274-023-6059-2.