AEM: 解锁聚合物插层新密码：氧化钒阳极高效存储铵离子

文章总结

研究背景：NH₄⁺因自身优势成为先进水性储能设备的研究热点，但目前 NH₄⁺存储阳极材料较少。氧化钒虽有潜力，但存在电子电导率低等问题。聚合物插层可扩大层间距提升存储性能，但对其影响材料原子轨道和电子结构的机制研究不足。

实验方法

材料制备：采用热插层法制备 P-VOx 材料，以苯胺单体在酸性环境下转化为苯胺阳离子，插入 V₂O₅层间并原位聚合，通过改变 PANI 与 V₂O₅摩尔比得到不同样品。

材料表征：运用 XRD、TEM、FTIR 等多种表征技术，结合 XAFS、UPS 等光谱分析及 DFT 计算，研究材料结构、形貌、成分及原子轨道和电子结构变化。

性能测试：在三电极体系中测试 P-VOx 电极的 CV、GCD、倍率性能、EIS 和循环稳定性；组装以 P-VOx-3 为阳极、MnOₓ为阴极的 NH₄⁺水系全电池，评估实际应用性能。

实验结果

结构与性质：PANI 插层使 V₂O₅层间距增大，P-VOx-3 层间距最大且具有疏松多孔花状纳米结构。PANI 插层导致 V₅⁺部分还原为 V₄⁺，形成 V-N 键和氧缺陷，提高质子化水平和导电性，促进电子向 V 3dxy 态跃迁，增加 V t₂g 轨道占据，减小带隙。

电化学性能：P-VOx-3 电极性能卓越，1 A g⁻¹ 下比容量达 223.5 mAh g⁻¹ ，10 A g⁻¹ 下为 104.5 mAh g⁻¹ ，电荷转移电阻低，赝电容特性显著，100000 次循环后容量保持率 71.1% 。P-VOx-3//MnOₓ全电池在 1 A g⁻¹ 下可逆容量 88.6 mAh g⁻¹ ，能量密度高，循环稳定性好，软包电池安全性和机械柔韧性良好。

储能机制：充放电过程中，P-VOx-3 层间距随 NH₄⁺（脱）嵌变化，结构稳定，存在 NH₄⁺和质子共嵌入机制，V 原子发生 V⁵⁺/V⁴⁺转变。DFT 计算表明，P-VOx-3 中 NH₄⁺相互作用减弱，扩散加速。

研究结论：成功制备 P-VOx 材料，PANI 插层优化其电子结构，增强导电性，降低 NH₄⁺迁移势垒。P-VOx-3 电极比容量高、寿命长，全电池性能优异，为高性能 NH₄⁺存储电极材料设计提供新方向。

图文简介

P - VOx 的结构表征

P-VOx-3 和 V₂O₅原子轨道与电子结构的 X 射线光谱表征及密度泛函理论计算

P-VOx 电极的电化学性能

P-VOx - 3//MnOₓ全电池的电化学性能

论文信息

通讯作者： Zihang Huang, Xu Han, Tianyi Ma