【摘要】 北京理工大学团队在《Advanced Functional Materials》发表研究，通过氧空位工程提升V₂O₃/石墨烯复合材料性能，解决镁硒电池穿梭效应难题。科学指南针提供理论计算支持，助力机理解析与材料优化。

北京理工大学邹美帅教授、曹传宝教授、朱有启副教授团队在《Advanced Functional Materials》发表创新研究成果，通过氧空位主导的V₂O₃/石墨烯复合材料，成功解决镁硒电池硒化物穿梭效应难题。科学指南针为本研究提供理论计算支持，助力反应机理深度解析与材料设计优化。

 

研究背景与镁硒电池挑战

可充电镁电池凭借双电子氧化还原途径和高能量密度优势，有望超越锂离子电池性能极限。硒正极材料具有678 mAh g⁻¹的高比容量和优异的电子导电性（1×10⁻³ S m⁻¹），成为极具前景的正极材料选择。

​核心技术瓶颈：​​

  • 硒化物中间体在循环过程中发生严重穿梭效应

  • 活性硒利用效率低，容量衰减迅速

  • 库仑效率低下，循环稳定性差

  • 需要高效载体材料抑制穿梭并促进可逆转化

 

创新方法：氧空位工程与结构设计

研究团队开发中空V₂O₃微球与还原氧化石墨烯复合的3D/2D异质结构，通过氧空位工程显著提升硒氧化还原反应可逆性。

​技术突破要点：​​

  • 中空多孔V₂O₃微球提供硒负载空间，缓解体积膨胀

  • 氧空位增强电导率，提供丰富催化位点

  • 3D/2D异质结构加速Mg²⁺扩散和电荷转移

  • rGO导电网络提升整体电子传输效率

 

材料合成与结构表征

通过精确控制合成条件，成功制备Se-V₂O₃/G-Vo复合材料，并通过多尺度表征手段确认其结构和组成特征。

​结构特征验证：​​

  • XRD和拉曼光谱证实V₂O₃晶体结构和石墨烯存在

  • EPR显示Se-V₂O₃/G-Vo氧空位浓度最高（26%）

  • XPS分析V 2p、O 1s和Se 3d轨道，确认化学状态

  • SEM和TEM显示3D/2D异质结构和空心球形态

图1. Se-V2O3/G-Vo、Se-V2O3/G和Se-V2O3的形成示意图。

图2. Se-V2O3/G-Vo、Se-V2O3/G和Se-V2O3的化学和成分表征。a) XRD图谱。b)拉曼光谱。c) EPR谱。d), e), f) V 2p，O 1s和Se 3d高分辨率XPS光谱。

 

电化学性能评估

系统评估Se-V₂O₃/G-Vo复合材料的镁硒电池性能，展现出卓越的容量和循环稳定性。

​性能卓越表现：​​

  • 可逆容量达580 mAh g⁻¹（200 mA g⁻¹）

  • 1000次循环后容量保持240 mAh g⁻¹（1.0 A g⁻¹）

  • 循环衰减率仅0.027%每循环

  • 倍率性能优异，高电流下容量保持率高

  • 库仑效率显著提升，穿梭效应有效抑制

图3. a), b), c) Se-V2O3, Se-V2O3/G, Se-V2O3/G-Vo的SEM图像。Se-V2O3/G-Vo的d) TEM图像，e) HRTEM图像，f) SAED模式，G) HAADF-STEM图像，以及EDS元素映射。

图4. 电化学性能分析。a) Se-V2O3/G-Vo的CV曲线。b) Se-V2O3/G-Vo、Se-V2O3/G和Se-V2O3的CV曲线。Se-V2O3/G-Vo的c) 典型充放电电压曲线和d) 循环稳定性。e) 倍率性能。f) 与报道的阴极相比，Se-V2O3/G-Vo的性能。g) 1000 mA g−1下的循环性能。

 

反应机理与性能优化

通过非原位表征和理论计算深入揭示氧空位对硒氧化还原反应的促进机制和性能提升原理。

​机理研究突破：​​

  • 非原位XPS证实V²⁺/V³⁺氧化还原反应参与

  • 氧空位提供强吸附位点，捕获可溶性MgSeₓ

  • 丰富催化位点促进多硒化物可逆转化

  • 3D/2D结构加速离子/电子传输动力学

  • 空心结构缓解体积膨胀，提升结构稳定性

图5. Se-V2O3/G-Vo的电化学储镁机理。a) 充放电曲线。b)、c)、d)和e) 非原位高分辨率XPS V 2p、O 1s、Se 3d和Mg 2p光谱。f) 电化学反应过程示意图。

 

总结与展望

本研究开发的氧空位主导V₂O₃/石墨烯复合材料为高性能镁硒电池正极设计提供创新解决方案，推动镁电池技术发展。

​创新价值总结：​​

  • 氧空位工程显著提升电导率和催化活性

  • 3D/2D异质结构优化离子/电子传输路径

  • 中空结构有效抑制硒化物穿梭效应

​应用前景：​​

  • 为高能量密度镁电池开发提供新材料体系

  • 推动硒基正极材料在储能领域的应用

  • 为其他多电子反应电池设计提供借鉴

  • 促进低成本、高性能储能技术发展

论文信息：Advanced Functional Materials, 2024
DOI：10.1002/adfm.202417104

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