一、研究背景

如今，锂离子电池（LIB）因其高能量密度和令人印象深刻的循环稳定性而被广泛应用于电动汽车和便携式电子设备中。然而，有限的锂资源和安全问题极大地阻碍了锂离子电池的未来发展。最近，钠离子电池 (SIB)、钾离子电池 (KIB) 和锌离子电池 (ZIB)等替代设备已成为下一代储能系统的理想候选设备。特别是水性锌离子电池，由于锌金属具有氧化还原电位低（与标准氢电极相比为-0.76 V）、理论容量超高（820 mA h g-1）、资源丰富、安全性高和成本低等显著优点，已显示出更大的潜力。最近的研究进展主要集中在开发高效 ZIB 的高性能阴极上，目前已开发出多种材料，如锰化合物、普鲁士蓝类似物、有机聚合物、和钒基氧化物。在这些材料中，包括 V2O5、VO2 和 V2O3 在内的钒氧化物因其多种晶体结构和价态而具有高可逆容量和突出的速率性能，因而前景广阔。然而，氧化钒阴极的实际应用仍然受到其固有缺陷的严格限制，例如，低电导率导致的 Zn2+/电子转移动力学迟缓，以及循环过程中严重的结构退化导致的稳定性差。

为解决这些问题，人们开发了多种策略，如设计纳米级尺寸的材料、加入金属离子和构建复合材料，以显著提高氧化钒的电化学性能。其中，层状氧化钒阴极的制造显示出明显的优势，因为二维结构可提供丰富的活性位点并增加接触面积，从而促进电解质溶液的渗透并适应充放电过程中的体积变化。同样，将钒氧化物与纳米碳（如石墨烯、碳纳米管和多孔碳）结合在一起也被证明能有效促进 Zn2+/电子传输并保持结构稳定，这得益于纳米碳优异的导电性和较高的化学稳定性。然而，通过低成本和简便的方法获得适合工业应用的高效层状/纳米碳氧化钒复合阴极仍然是一项挑战。这些阴极大多是通过高能耗、多步骤、长生产时间和产生污染物的程序合成的，这严重限制了水性 ZIB 的进一步发展。

与传统加热工艺相比，闪蒸焦耳加热（FJH）的超高温和超快加热/淬火速率（超过 105 K s-1 量级）简化了繁琐的加热步骤，降低了能耗，从而使功能材料的合成更加简便、经济和有效。因此，闪速焦耳加热技术作为一种前景广阔的合成策略已被广泛用于制造新型纳米材料。例如，Luong 等人证明了利用廉价碳源进行 FJH 可在一秒钟内获得克级数量的石墨烯。最近，Li 等人报道了在金属盐溶液中通过 FJH 方法在十几秒内在碳布基底上超快原位合成过渡金属层状氢氧化物，制备的样品用作 ZIB 的阴极时表现出优异的电化学性能。

在这项工作中，我们展示了通过 FJH 程序处理商用 V2O5 粉末，在 2.5 秒内轻松、超快地制造出由层状堆叠 VO2/V2O5 微结构和类石墨烯碳纳米片（标记为 VOG）组成的复合阴极。在此过程中，FJH 的瞬时高温加热和淬火提供了足够的能量，使商用 V2O5 粉末通过熔化、还原和聚集转化为层状堆积的 VO2/V2O5 微结构。同时，V2O5 粉末的熔化会蚀刻底层石墨纸基底的表面，从而将石墨烯类碳纳米片引入到复合材料中。在用作水性 ZIB 的阴极时，所得到的 VOG 复合材料在 0.2 A g-1 的条件下可提供 459 mA h g-1 的速率容量，并且在高电流密度和低电流密度条件下都具有显著的循环稳定性（在 1.0 A g-1 条件下循环 2500 次后为 355.5 mA h g-1，循环 10,000 次后为 169.5 mA h g-1）。 5 mA h g-1），这是由于层叠 VO2/V2O5 异质结构具有丰富的存储点和内置电场，以及类石墨烯碳纳米片具有优异的导电性，从而加速了电子/锌离子的转移，缓解了结构退化。这项工作为获得高性能氧化钒基阴极以实现高效 ZIB 开辟了一条简便、高效的途径。

二、摘要

钒氧化物一直被认为是非常有前途的水性锌离子电池（ZIB）阴极。然而，由于需要成本低廉、简单高效的制备方法，获得适合工业应用的高性能氧化钒基阴极仍然是一项重大挑战。在此，我们介绍了一种简便、快速的复合阴极合成方法，它由层状堆叠的 VO2/V2O5 和类石墨烯碳纳米片组成，利用闪蒸焦耳加热策略处理商用 V2O5 粉末，仅需 2.5 秒即可完成。在用作 ZIB 的阴极时，所产生的复合材料在 0.2 A g-1 的条件下可提供 459 mA h g-1 的同等速率容量，在 1.0 A g-1 的条件下循环 2500 次后可提供 355.5 mA h g-1 的显著循环稳定性，在 10 A g-1 的条件下循环 10000 次后可提供 169.5 mA h g-1 的显著循环稳定性。进一步的电化学分析表明，这种令人印象深刻的性能得益于层叠 VO2/V2O5 异质结构的丰富位点和内置电场以及类石墨烯碳纳米片的优异导电性，从而加速了电荷转移并减轻了结构退化。这项工作为超快、低成本制造高性能氧化钒基复合阴极，实现高效 ZIB 提出了一种独特的方法。

三、结论

总之，我们通过 闪蒸焦耳加热设备 展示了一种由层状堆叠的 VO2/V2O5 微结构和类石墨烯碳纳米片组成的复合材料的简便、超快合成方法。作为水性 ZIB 的阴极，制备的复合材料在 1.0 A g-1 下循环 2500 次后达到了令人钦佩的稳定性，即 355.5 mA h g-1；在 10 A g-1 下循环 10000 次后达到了 169.5 mA h g-1。进一步的电化学测量结果表明，之所以能取得如此优异的性能，是因为层叠 VO2/V2O5 异质结构具有丰富的位点和内置电场，从而加速了电子/Zn2+ 的转移，减轻了结构退化，同时类石墨烯碳纳米片也具有优异的导电性能。这项工作为获得高性能氧化钒基阴极以实现高效 ZIB 提供了一种新颖而有效的方法。

图1.制备VOG复合材料的示意图。

图2.商用 V2O5（a）和 VOG 复合材料（b-d）的 SEM 图像；VOG 复合材料的能量色散光谱（EDS）图（e）和 HRTEM 图像（f-i）。