水系鋅離子電池(ZIBs)循環穩定性和能量密度不足的問題可以通過控制正極溶解和結構惡化以及改善電子傳導性和反應動力學來部分解決。新加坡科技設計大學楊會穎、深圳大學孫靈娜等通過電紡技術和熱處理,開發了具有三維自支撐骨架和分級結構的氮化釩嵌入氮摻雜碳納米纖維(VN/N-CNFs)復合材料。圖1 材料制備及表征令人驚訝的是,在熱處理過程中,主干碳納米纖維已經分級生長出許多晶須狀的次級納米結構,并且原位獲得的VN納米晶粒已經均勻地分布在主干納米纖維和分支納米晶須中。釩基金屬有機框架(V-MOFs)實現了活性VN納米結構在電紡納米纖維編織的碳框架中的原位均勻分布,這不僅防止了0D活性納米顆粒的自我聚集,而且還提供了保護性和導電性的封裝物,以控制與水系電解液的直接接觸。電紡納米纖維編織的碳框架還創造了一個柔性和自支撐的三維骨架,以保持結構的完整性,此外,通過分級支化納米結構,可以有效緩解結構退化和體積變化。圖2 自支撐VN/N-CNF正極的電化學性能因此,這種設計策略有助于實現水基ZIBs的超長循環壽命和超高的倍率能力。進一步結合原位電化學激活和轉化過程,ZIBs在0.5A g-1時可獲得高達734 mAh g-1的可逆容量。此外,VN/N-CNFs正極在50A g-1時循環30000次后表現出482 mAh g-1的穩定容量,甚至在100A g-1的超高倍率下也能提供297 mAh g-1的放電容量。這項工作提出了對具有高容量和能量/功率密度的超快和超長循環壽命水系電池的電極設計的見解。圖3 自支撐VN/N-CNF正極的電化學動力學分析In Situ Grown Hierarchical Electrospun Nanofiber Skeletons with Embedded Vanadium Nitride Nanograins for Ultra-Fast and Super-Long Cycle Life Aqueous Zn-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202826