對高性能電化學器件的追求突出了對具有高容量/倍率的創新電極材料的探索，具有多電子轉移的電荷存儲反應是獲得更高能量密度的有效途徑。V₂O₅是一種潛在的多電子反應材料，但在深度放電時存在不可逆相變和緩慢的動力學問題。

在此，中科院大連化物所吳忠帥研究員等人合理地設計和合成了雙層V₂O₅和石墨烯（V₂O₅/石墨烯）的二維異質結構，以實現高能大功率儲鋰的可逆和快速多電子反應。具體而言，二維V₂O₅/石墨烯異質結構是使用一個控制良好的兩步過程合成的，包括冷凍干燥和隨后的熱退火。

通過快速冷凍干燥，氧化石墨烯（GO）納米片作為二維模板可均勻地負載釩源。在隨后的熱退火過程中，GO發生脫氧和NH₄VO₃分解，最終得到異質結構。

其中，NH₄VO₃分解產生的NH₃也可作為 GO的還原劑。研究表明，具有豐富異質界面的超薄雜化結構提供了V₂O₅的可逆結構轉變，并促進了離子/電子傳輸和界面電荷轉移，從而實現了具有顯著贗電容貢獻的高倍率多電子轉移鋰存儲。

圖1. 二維V₂O₅/石墨烯異質結構的電荷存儲機制研究

因此，二維V₂O₅/石墨烯異質結構在1 C時可提供361 mAh g^-1的高容量，并在100 C的超高倍率下容量仍保持為175 mAh g^-1，優于大多數插層金屬氧化物。

同時，基于該電極材料計算的能量密度高達840 Wh kg^-1，優于鋰離子電池中傳統正極材料LiMn₂O₄、LiFePO₄和 LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂等，且超過了其他典型多電子反應材料的報道值。

此外，通過解耦這種具有高容量和寬電位窗口的多電子反應，作者構建了以預鋰化V₂O₅/石墨烯作為正負極的對稱全電池，其顯示出卓越的能量/功率密度和5 A g^-1下循環15000次的長壽命（容量保持率為79%）。

總之，這項工作強調了創建異質結構作為克服反應可逆性和動力學限制以在氧化還原活性材料中實現高倍率多電子轉移電荷存儲策略的潛在重要性，并提供了構建對稱全電池的新范例。

圖2. 基于二維V₂O₅/石墨烯異質結構的對稱全電池性能

Enabling rapid pseudocapacitive multi-electron reaction by heterostructure engineering of vanadium oxide for high-energy and high-power lithium storage, Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/D2EE02888C