2021年6月30日，科睿唯安(Clarivate)正式发布2021年科技期刊引证报告(Journal Citation Reports)，InfoMat 影响因子--25.405 ！
近年来，水系锌离子电池因其成本低廉、绿色环保、理论容量高而备受关注。锌离子电池正极侧电化学反应的动力学一般可描述为：阳离子首先从电解液中脱溶剂化，并扩散到电解液/正极界面，然后穿过电解质/正极界面，嵌入到正极结构中，并在正极结构中完成固态扩散过程。第一步反应主要由电解质的特性决定，而后两步主要取决于正极材料的特性。因此，研发提升离子在电解质/正极界面的传输或者在正极材料内的快速扩散过程是研发新型高性能正极材料的关键。 两相材料存在较多的活性位点以及两相之间的协同效应，有利于电化学性能的提高。据此，梁叔全教授等提出了引入相界制备两相材料来改善电解液/正极界面的策略，该两相材料在储锂/钠上具有优异的电化学性能，但其增强电化学行为的内在机制尚不清楚。在水系锌离子电池体系中构建两相正极材料有望成为提高其电化学性能的可行途径。 为了深入解析两相材料在水系锌离子电池中的储能机理， 中南大学梁叔全-周江 教授团队＆湖南大学鲁兵安 教授合作， 制备了一种由钒酸钾（KVO）和钒酸钠（NaVO）组成的两相Na 0.5 K 0.5 VO正极材料，采用一系列非原位表征技术，结合理论计算，观察到了相界诱导的界面吸附-嵌入机理。 电化学反应过程中，相界处会吸附大量的Zn 2+ 与H + ，并推动他们穿过电解液/正极界面嵌入到正极结构中。这种新型的反应机制一方面可以实现更为快速的反应动力学，另一方面也会带来容量的提升。对这一问题的深入研究，不仅有利于促进对两相化合物的认识和应用，而且对其他高性能两相材料的进一步策略性的设计和开发具有建设性的参考意义。 该工作在InfoMat DOI: 10.1002/inf2.12223 ）。 我们摘取了文章里的几部分重点给大家做个简单的介绍：
图1 两相Na 0.5 K 0.5 VO材料的物相及结构表征结果 作者通过 XRD、TEM、NEXAFS等技术对两相Na 0.5 K 0.5 VO材料的物相、形貌及结构进行了系统表征。XRD结果表明，两相Na 0.5 K 0.5 VO材料由单相NaVO和KVO组成。图1B为 Na 0.5 K 0.5 VO 结构的示意图，显示了 Na 0.5 K 0.5 VO 复合材料中两相相界的存在。TEM和EDS-mapping结果显示， Na 0.5 K 0.5 VO 呈现出Na、K、V、O均匀分布的纳米棒结构，说明NaVO和KVO分布均匀。图1E中的SAED结果进一步证实了 Na 0.5 K 0.5 VO 中NaVO和KVO相的共存关系。在NEXAFS图谱中，V L 3 峰的位置和形状敏感地取决于钒的价态和局部配位环境，而局部配位环境总是与结晶度有关。在无序的钒基产物中，V L 边的细肩位置（517.2 eV）总是很弱或不存在。O k 边缘 t 2g 峰强度的减小是由于结构畸变造成的。从图1F中可以看出，单相NaVO和KVO的 t 2g 峰比 Na 0.5 K 0.5 VO 的峰肩更明显， t 2g 峰强度更大，说明 Na 0.5 K 0.5 VO 由于两相相界造成的结构畸变更大。XPS图谱表明两相 Na 0.5 K 0.5 VO 中存在Na和K的信号，与XRD和EDS结果相对应。 作者通过电化学工作站系统地评估了 Na 0.5 K 0.5 VO与单相NaVO、KVO的电化学行为 。
图2 两相Na 0.5 K 0.5 VO材料的CV曲线及储锌性能表征 图2A的CV曲线表明，两相 Na 0.5 K 0.5 VO 显示出单相NaVO（0.74/0.87和1.01 V）和KVO（0.62, 0.84/0.75和0.93/0.96 V）材料的共同氧化还原特性。为了证明两相 Na 0.5 K 0.5 VO 材料出色的电化学性能，运用恒流充放电技术将其与单相NaVO、KVO进行了全面的测试与比较，如图2B、C、D所示，可以看出，两相 Na 0.5 K 0.5 VO 在小电流、大电流密度下的循环性能和其倍率性能都远比单相材料出色，尤其是其在5 A g -1 的大电流密度下可以稳定循环800圈，并保持 267 mA h g -1 的高容量。
图3 两相Na0.5 K0.5 VO材料的赝电容行为、活化能及GITT结果 为了探究反应动力学行为，测定了三种材料的赝电容行为，结果表明，NaVO和KVO的 b 值均接近0.5，而在双相 Na 0.5 K 0.5 VO 中， b 值显著增加，接近1.0。NaVO和KVO的 b 值表现了典型的电池行为，其动力学行为主要由扩散过程控制，而两相 Na 0.5 K 0.5 VO 的电容行为表明了离子吸附反应主要由界面电容控制，因而表现出显著的电容行为。从图3C、D的反应活化能结果可以看出，两相 Na 0.5 K 0.5 VO 材料的界面活化能明显低于单相NaVO和KVO，表明其具有更加快速的反应动力学行为，这可以归因于 Na 0.5 K 0.5 VO 材料中存在的相边界有利于促进电化学反应的进行。GITT结果表明， Na 0.5 K 0.5 VO 的扩散系数更高，波动更小，优于NaVO和KVO，这是由于 Na 0.5 K 0.5 VO 中存在大量的相界。这些相边界可以吸收大量的Zn 2+ 和H + 离子，有利于后续的离子嵌入过程。大量相界的存在使得两相 Na 0.5 K 0.5 VO 比单相主体结构提供了更多的扩散通道和更短的离子扩散路径，从而获得更快的动力学特征，加速离子扩散行为。 为了更好地解析反应机理，基于密度泛函理论（DFT）和局部密度近似（LDA）进行了第一性原理计算。 Na 0.5 K 0.5 VO 界面上Zn 2+ 离子的扩散能垒经计算为0.47 eV（图4B），远低于NaVO（0.822 eV）和KVO（1.52 eV）材料。对单相材料的DOS计算表明，KVO具有一个开放的带隙，但是在形成两相界面结构时带隙会闭合，这表明两相结构中的KVO具有金属性质。在 Na 0.5 K 0.5 VO 中，来自NaVO和KVO结构的V原子 d 轨道和NaVO结构的O原子 p 轨道的杂化效应是其具有金属性的主要原因。
图4 计算出的A)离子扩散路径；B)扩散能垒；C)DOS结果；D)电荷密度分布与（E）两相界面吸附-嵌入机理示意图
通过计算H + 和Zn 2+ 在NaVO和KVO中的吸附能，发现只有Zn 2+ 嵌入KVO的过程才能发生，吸附能约为-0.23 eV，而H + 不太可能被NaVO和KVO吸附。相比之下，嵌入 Na 0.5 K 0.5 VO 模型的H + 和Zn 2+ 的吸附能分别为-0.33 eV和-1.01 eV，远低于单相模型。吸附能越低，对吸附过程越有利。这一结果表明了相边界对H + 和Zn 2+ 离子吸附的显著优势。界面附近的电荷分布结果表明，H + 和Zn 2+ 会与界面O原子相互作用，从而降低吸附能垒。两相界面吸附-嵌入机理的示意图如图4E所示。 5.结论
限制单相材料性能的主要瓶颈在于其较差的反应动力学行为，其由阳离子通过电解质/正极界面的迁移和在宿主结构内缓慢的固态扩散过程所引起。两相 Na 0.5 K 0.5 VO 可以改善这两个过程的电化学行为。首先， Na 0.5 K 0.5 VO 的相界可以吸收大量的Zn 2+ 和H + ，从而提升赝电容容量，并且推动阳离子随后嵌入到正极结构中；其次，由于存在大量的相界，两相 Na 0.5 K 0.5 VO 比单相材料提供了更多的扩散通道和更短的扩散路径，有利于固态扩散过程；其三， Na 0.5 K 0.5 VO 具有较低的扩散能垒和较小的活化能，使得电化学反应过程中离子迁移更为快速且更有效率，从而提高了电池的整体性能。 通讯作者介绍
周江 ，中南大学教授，博士生导师，材料物理系副主任。曾先后在新加坡南洋理工大学、美国麻省理工学院从事科研工作。入选“湖湘青年英才”、“湖湘青年科技创新人才”、湖南省首届研究生导师团队，主持湖南省杰出青年基金、国家自然科学基金面上、青年等项目，以子课题负责人参与基金委重点项目一项。以一作或通讯在Nat. Sci. Rev., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Acta Mater., Sci. Bull ., 科学通报等期刊发表论文70余篇，被引7000余次，H-index指数43。曾入选ESI高被引论文30篇，热点论文15篇，一篇论文入选“中国百篇最具影响国际学术论文”。受邀担任InfoMat、Nano-Micro Letters、J. Adv. Ceram. 、《物理化学学报》等期刊编委。研究兴趣为水系锌二次电池等。。
鲁兵安 ，教授，博导, 湖南省青年骨干教师，湖南省湖湘杰出英才，年度科技新锐人物获得者。获批国家自然科学基金优秀青年基金项目、湖南省杰青青年基金项目等。主要研究方向为新型储能材料与器件，以第一作者或通讯作者在Nature，Adv. Mater., Sci. Bull. 等发表包括“中国百篇最具影响国家学术论文”在内的学术论文130余篇，被引用9000余次，InfoMat, Science China Technological Sciences 等期刊编委。
梁叔全 ，中南大学二级教授，博士生导师。2010年至2018年任中南大学材料科学与工程学院院长，芙蓉学者成就奖获得者，澳大利亚Monash大学工程学约翰莫纳士爵士奖章得主。在国家自然科学基金重点项目、863计划、973计划等支持资助下，从事材料的合成、结构分析与性能研究。相关研究成果发表高水平论文200余篇，其中包括国际著名权威学术刊物：Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Acta Mater. 等，申请专利30余项。科研获国家科技进步二等奖1项、部级科技进步一等奖1项、省级科技进步二等奖1项。主要的研究方向包括：高性能低成本储能关键材料制备及器件研发、微/纳米结构复合功能材料及其能量储存和转换应用等。
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