OD体育平台OD体育平台OD体育平台VS2作为锌离子电池的正极材料，因具有大层间距、弱层间相互作用和优异的导电性等特点受到了广泛关注。但是，VS2在充放电过程中较大的体积变化，使其循环稳定性较差。在本文中，我们采用一步水热法和退火处理相结合的方式，合成了含有S空位的纳米花状的VS2。纳米花结构可有效缓解了VS2在充放电过程中的体积膨胀，增强了VS2的循环稳定性。而S空位的引入提高了VS2的电化学反应动力学，使得VS2在大电流密度下表现出优异的电化学性能，展现出了VS2在快速充放电领域的应用前景。

　　锂离子电池（LIB）因其高能量密度、低自放电率和长循环寿命等特点，是当前商业应用最广泛的二次电池。然而，由于锂资源有限且生产成本较高，限制了LIB的广泛应用和进一步发展。因此，开发一种低成本、安全、高效的储能设备作为LIB的替代品是非常有必要的。水系锌离子电池（AZIB）因其具备低氧化还原电位、高理论容量和体积容量、低成本和易于组装等优势备受关注。VS2是一种过渡金属二硫化物（TMD），其具有较大的层间距（5.76 Å）可供Zn2+嵌入/脱出。并且由于S2-比O2-的电负性小，VS2与Zn2+之间的静电相互作用力弱。这些特点使得VS2成为一种有前途的AZIB正极材料。然而，VS2在充放电循环过程中存在体积膨胀和循环稳定性差的问题。因此需要一种高效便捷的方法对VS2的电化学性能进行提高。

　　1、 在未使用表面活性剂的情况下，调节了VS2的微观形貌，VS2的形貌从堆叠的片状改变为纳米花状，缓解了充放电过程中的体积膨胀，增强了电极的循环稳定性；

　　2、 退火后VS2晶格中产生了S空位，提高了VS2的电化学反应动力学，使得VS2在大电流密度下表现出优异的电化学性能，展现出了VS2在快速充放电领域的应用前景。

　　本文中采用水热法成功制备了不同形态的VS2样品，并在氮气中进行退火处理。使用去离子水和乙二醇（EG）的体积比分别为6:0、2:4和0:6制备的VS2样品分别被称为VS2-D、VS2-M和VS2-E。从图1（a-c）可以看出，添加乙二醇可以调控VS2的微观形貌和纳米片层厚度。三种VS2的化学态基本一致，但是VS2-M的结晶度更好。这主要是由于乙二醇的介电常数明显低于去离子水的介电常数，系统处于过饱和状态，导致溶剂对VS2的溶解度降低，这种状态加速了成核和晶体生长，最终导致VS2-M的高结晶度。

　　图2(a)在不同温度下退火的VS2-M样品的XRD图谱；(b) VS2-M样品在300 ℃下退火2小时前和退火后的XPS图谱；(c)退火过程中附着在管式炉中的挥发物的XRD图谱；(d) VS2-M在500 ℃下退火后的扫描电镜图谱。

　　通过对比分析VS2退火前后的XRD及XPS结果后发现，适当温度下的退火可使VS2晶体中产生S空位，过高的温度会使得VS2发生相转变。

　　图3(a)倍率性能；(b)电流密度为0.05至2.0 A g-1的充放电曲线扫速下的CV曲线的循环稳定性曲线的倍率性能有显著差异，在首圈循环中，VS2-E的比容量最高，这是由于其纳米片更薄有助于减小Zn2+在充放电过程中的传输距离，可以提升材料的电化学动力学行为。但是，VS2-E在随后的循环中容量明显低于VS2-M。此外，对比在电流密度为0.5和3 A g-1的循环稳定性后发现，VS2-M的电化学性能最优，其在电流密度为3 A g-1下循环900次后仍有约100 mAh g-1的放电比容量，容量保持率为78.13%。

　　VS2-D(a)原始状态、(b)放电状态和(c)充电状态的SEM图像；VS2-M(d)原始状态OD体育首页入口、(e)放电状态和(f)充电状态的SEM图像；VS2-E(g)原始状态、(h)放电状态和(i)充电状态的SEM图像。

　　在0.5 A g-1的电流密度下循环200次后，(a) VS2-D、(b) VS2-M和(c) VS2-E的SEM图像。为了分析三种形貌的VS2的电化学性能差异的原因，我们对三种VS2的充放电过程进行了SEM表征。如图4所示在第一圈放电时，三种VS2均有明显的体积膨胀现象。但是，VS2-D在完成首次充放电后，其结构并未恢复至初始状态，而是出现了材料团聚现象，形成了更大更厚的纳米片（图4 c），这极大的增加了Zn2+的扩散距离，导致其动力学行为减弱。VS2-E虽然有着更小的片层厚度，理论上拥有更优异的电化学性能。但是VS2-E在完成一次充放电后，也出现了团聚现象（图4 i），这增加了Zn2+的扩散距离，从而影响了其后续的电池性能。而VS2-M则不同，在放电过程中，纳米花结构给予了VS2-M体积膨胀所需的空间，使其可以轻松应对因Zn2+插入所带来的体积变化（图4 e）。在充电过程中，材料又逐渐回到初始的纳米花结构（图4 f）。基于以上分析，可以看出VS2纳米片的厚度对充放电过程中结构稳定性非常重要。如果VS2纳米片的厚度太薄，即使经过一次循环，纳米花结构也会被破坏。图5的SEM表征也进一步证实了这一点，VS2-M在循环后基本保持了原始的纳米花形貌，但是VS2-D和VS2-E则出现了不可逆的团聚。

　　VS2-M(a)充电和放电曲线（标记状态A-I选作非原位测量）；(b)非原位XRD图像；(c-e) HRTEM图像；(f) V 2p图像；(g) Zn 2p图像；(h-j)不同充电和放电状态的EDS图像。最后，我们对VS2-M进行了非原位表征。图6（b）展示了VS2-M在首圈充放电过程中，材料晶体结构的变化，从图中可以观察到（001）、（011）、（012）和（110）晶面的衍射峰发生了明显的移动。以（011）晶面为例，在原始状态其衍射峰的位置在35.4°。在放电过程中，由于Zn2+进入VS2-M晶格内，导致晶格发生了膨胀，衍射峰的位置减小到34.5°。随后在充电过程中存储在VS2-M晶格内的Zn2+逐步脱出，衍射峰也逐步恢复至35.4°。XPS和EDS结果也进一步证实了Zn2+嵌入。同时在XRD图谱中未发现Znx(OTf)y(OH)2x-y的衍射峰（大约位于12.6°、19.6°、33.0°），这表明VS2-M的反应机理为插层反应机理，H+未参与反应。此外，可以看到在充放电过程中VS2-M的晶格条纹明显，这说了其优异的结构稳定性。

　　本研究采用一步水热法和退火处理的方法成功合成了含有S空位的纳米花状VS2材料（简称VS2-M）。所获得的VS2-M材料表现出优异的循环稳定性和倍率性能。在电流密度为0.5 A g-1时，其比容量达到178.7 mA h g-1，即使在高达3 A g-1的电流密度下，经过900次循环后的比容量仍达到100.1 mA h g-1。值得注意的是，在不同电流密度下测得的VS2-M材料的比容量接近，说明了VS2-M具有出色的倍率性能。此外经研究表明，这些优异的电化学性能主要归因于VS2-M材料的特殊纳米花状结构。该结构为层与层之间提供了较大的空间，解决了正极材料在充放电过程中的体积变化问题，从而提高了电池的循环稳定性。同时，VS2-M材料具有较大的比表面积，使其与电解质充分接触，增强了反应动力学。总而言之，纳米花状VS2-M材料显著提升了电化学性能，为设计高效的水系锌离子电池正极提供了新的思路。

　　王松灿，教授，博导，翱翔海外学者，入选中国科协2023年度“科技智库青年人才计划”。2011和2014年分别获得中南大学学士和硕士学位，2018年获澳大利亚昆士兰大学博士学位（获澳大利亚IPRS奖学金支持，导师：王连洲教授，欧洲科学院院士、澳大利亚桂冠学者），随后留组从事博士后研究，于2019年9月入职西北工业大学，加盟黄维院士团队。聚焦于柔性光电转换与存储的研究，包括柔性光催化、柔性光电器件、柔性锌离子电池。作为第一/通讯作者，在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.、Adv. Funct. Mater.和Nano Energy等本领域国际知名学术期刊发表论文30篇，撰写英文著作章节1篇。累计发表学术论文70篇，撰写英文著作章节2篇，论文他引6500余次（Web of Science），H因子为37，11篇入选ESI高被引论文。累计获得学术奖励18项，包括西北工业大学翱翔海外学者、国家优秀自费留学生奖学金、J. Mater. Sci. Technol.优秀论文奖等。担任澳大利亚研究委员会基金项目评审专家、J. Mater. Sci. Technol.、EcoEnergy、J. Cent. South Univ.和Tungsten期刊青年编委，参加重要国际学术会议26次，作邀请报告14次。