水系锌离子电池（ZIBs）因其锌负极的独特属性而受到关注，包括其高理论容量（820 mAh g-1）、低氧化还原电位（-0.76 V vs. 标准2H+/H2）以及与水的出色相容性。然而，ZIBs的一个重大挑战在于开发能够在全电池应用中可逆插层高极性二价Zn2+的正极材料，以实现高容量和长循环寿命。
在此，东华大学罗维团队提出了一种共价异质结构设计，即通过在MXene纳米片上均匀生长VO2纳米阵列形成Ti-O-V非对称轨道杂化（AOH）来稳定VO2正极中的氧空位（Ov）。
实验和理论分析表明，该种Ti-O-V AOH显著增强了Ov在VO2中的稳定性，从而在水系锌离子电池（ZIBs）中实现了高度可逆的锌离子存储容量，并在30,000个循环后保持了98.6%的高容量保持率。
图1. 水系锌离子电池的电化学性能
总之，该工作展示了一种合理的共价异质结构设计，用于在锌离子电池（ZIBs）中稳定VO2模型正极上的氧空位（Ov）。其中H2O2在促进VO2纳米阵列均匀沉积到MXene表面以形成紧密的界面Ti-O-V非对称轨道杂化（AOH）中起着至关重要的作用。计算表明，Ti-O-V AOH在界面上显著影响Ov的稳定化，通过从VO2框架到MXene表面的电子迁移。
基于此，在Zn2+穿梭过程中抑制了Ov的重新填充和迁移。制备的MXene-VO2-x正极展现出了卓越的Zn2+存储性能，具有在0.2 A g-1下487.9 mAh g-1的可逆比容量，并在30,000个循环后保持了98.6%的高容量保持率。
因此，该工作为共价异质结构如何提高Ov的利用效率提供了重要的见解，并为特定应用要求的电池阴极材料的开发提供了指导。
图2. 稳定VO2正极中Ov的理论验证
Asymmetric Orbital Hybridization at MXene-VO2-x Interface Stabilizes Oxygen Vacancies for Enhanced Reversibility in Aqueous Zinc-ion Battery, Energy & Environmental Science 2024 DOI: 10.1039/d4ee04466e