近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳忠?guī)泩F隊在多電子反應電極材料研究方面取得進展，通過構建二維異質結構，克服了多電子反應存在的可逆性和動力學限制，實現(xiàn)了高倍率、高容量的贗電容多電子反應。
電極材料的理論容量與每個氧化還原中心轉移的電子數(shù)密切相關。多電子反應是指在電荷存儲過程中，單個氧化還原中心經歷一個以上的電子轉移。多電子反應可以突破傳統(tǒng)電池反應中單個或少于一個電子轉移的瓶頸，大幅提升電極材料比容量，但多電子轉移過程在熱力學和動力學上的復雜性也會大幅增加，使得多電子反應面臨可逆性差和動力學緩慢的巨大挑戰(zhàn)。
該工作發(fā)展了一種基于氧化石墨烯模板的二維異質結構策略。所制備的二維V2O5/石墨烯異質結構呈現(xiàn)超薄納米片形貌（2.8 nm），具有豐富的表面活性位點，并且易于釋放離子嵌入/脫出時的應力/應變，促進可逆的結構轉變；此外，石墨烯的復合不僅提高了材料的電子導電性，而且產生了豐富的具有內建電場的異質界面，促進了電荷轉移。得益于上述形貌和結構優(yōu)勢，二維V2O5/石墨烯異質結構克服了釩氧化物在多電子反應中的不可逆相變和動力學限制，實現(xiàn)了贗電容主導的可逆多電子轉移儲鋰反應，表現(xiàn)出極高的比容量（361 mAh g-1 @ 1 C）和優(yōu)異的倍率性能（175 mAh g-1 @ 100 C），優(yōu)于大多數(shù)已報道的插層氧化物材料。該工作進一步通過解耦上述具有高容量和寬工作電壓窗口的多電子反應，構建了以預鋰化二維V2O5/石墨烯電極同時作為正負極的對稱儲能器件，具有優(yōu)良的能量/功率性能和超長循環(huán)穩(wěn)定性。該工作為開發(fā)高容量、高倍率的多電子反應電極材料提供了新策略，同時提供了一個基于多電子反應構建對稱儲能器件的范例。
相關研究成果以Enabling rapid pseudocapacitive multi-electron reactions by heterostructure engineering of vanadium oxide for high-energy and high-power lithium storage為題發(fā)表在《能源與環(huán)境科學》（Energy & Environmental Science）上。上述研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）、大連市高層次人才創(chuàng)新支持計劃等項目的資助。
大連化物所開發(fā)出高性能多電子反應儲鋰材料
（來源：大連化學物理研究所）