近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)在多電子反應(yīng)電極材料研究方面取得進(jìn)展，通過構(gòu)建二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，克服了多電子反應(yīng)存在的可逆性和動(dòng)力學(xué)限制，實(shí)現(xiàn)了高倍率、高容量的贗電容多電子反應(yīng)。
電極材料的理論容量與每個(gè)氧化還原中心轉(zhuǎn)移的電子數(shù)密切相關(guān)。多電子反應(yīng)是指在電荷存儲(chǔ)過程中，單個(gè)氧化還原中心經(jīng)歷一個(gè)以上的電子轉(zhuǎn)移。多電子反應(yīng)可以突破傳統(tǒng)電池反應(yīng)中單個(gè)或少于一個(gè)電子轉(zhuǎn)移的瓶頸，大幅提升電極材料比容量，但多電子轉(zhuǎn)移過程在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的復(fù)雜性也會(huì)大幅增加，使得多電子反應(yīng)面臨可逆性差和動(dòng)力學(xué)緩慢的巨大挑戰(zhàn)。
該工作發(fā)展了一種基于氧化石墨烯模板的二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)策略。所制備的二維V2O5/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)超薄納米片形貌（2.8 nm），具有豐富的表面活性位點(diǎn)，并且易于釋放離子嵌入/脫出時(shí)的應(yīng)力/應(yīng)變，促進(jìn)可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變；此外，石墨烯的復(fù)合不僅提高了材料的電子導(dǎo)電性，而且產(chǎn)生了豐富的具有內(nèi)建電場的異質(zhì)界面，促進(jìn)了電荷轉(zhuǎn)移。得益于上述形貌和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，二維V2O5/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)克服了釩氧化物在多電子反應(yīng)中的不可逆相變和動(dòng)力學(xué)限制，實(shí)現(xiàn)了贗電容主導(dǎo)的可逆多電子轉(zhuǎn)移儲(chǔ)鋰反應(yīng)，表現(xiàn)出極高的比容量（361 mAh g-1 @ 1 C）和優(yōu)異的倍率性能（175 mAh g-1 @ 100 C），優(yōu)于大多數(shù)已報(bào)道的插層氧化物材料。該工作進(jìn)一步通過解耦上述具有高容量和寬工作電壓窗口的多電子反應(yīng)，構(gòu)建了以預(yù)鋰化二維V2O5/石墨烯電極同時(shí)作為正負(fù)極的對(duì)稱儲(chǔ)能器件，具有優(yōu)良的能量/功率性能和超長循環(huán)穩(wěn)定性。該工作為開發(fā)高容量、高倍率的多電子反應(yīng)電極材料提供了新策略，同時(shí)提供了一個(gè)基于多電子反應(yīng)構(gòu)建對(duì)稱儲(chǔ)能器件的范例。
相關(guān)研究成果以Enabling rapid pseudocapacitive multi-electron reactions by heterostructure engineering of vanadium oxide for high-energy and high-power lithium storage為題發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。上述研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）、大連市高層次人才創(chuàng)新支持計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
大連化物所開發(fā)出高性能多電子反應(yīng)儲(chǔ)鋰材料
（來源：大連化學(xué)物理研究所）