中国科学技术大学国家同步辐射实验室宋礼教授团队基于插层型锌离子电池正极材料的同步辐射谱学表征，提出了插层剂诱导V t2g轨道占据的概念，开发了具有快速充电性能的铵根插层五氧化二钒锌离子电池正极材料。相关成果以＂Intercalant-induced V t2g orbital occupation in vanadium oxide cathode toward fast-charging aqueous zinc-ion batteries＂为题，于3月20日发表于国际著名学术期刊《PNAS》上。
水系锌离子电池（ZIBs）凭借安全、无毒，以及较高的理论容量，已经成为最具潜力的可持续储能技术之一。在众多ZIBs电极材料中，层状钒氧化物具有晶体结构可调、容量高等特点，是现阶段广泛研究的正极材料。基于离子或分子预插层策略可以有效解决正极材料的晶格空间不足、电子传导性低等问题，从而进一步提升电池性能。然而，目前对插层型正极材料的研究多关注于层间空间膨胀对容量的贡献。因此，发展先进的原位表征技术，从原子轨道方面深入理解由插层剂引起的电极材料内在结构变化是未来高性能正极材料设计和开发的关键所在。
图1. 应用于高性能ZIBs正极材料NH4+-V2O5的V t2g轨道占据机制。
图2.应用于高性能ZIBs正极材料的NH4+-V2O5储能机理分析。
本工作发挥同步辐射光源的综合性实验平台的优势，结合多种原位与非原位同步辐射谱学实验技术，深入揭示了铵根离子（NH4+）插层后，V2O5中V 3dt2g轨道占据的变化，以及充放电过程中的可逆演变规律。研究发现，NH4+插层在很大程度上诱发了V-O键的结构畸变，进一步导致电子结构的重排，促使V t2g轨道中3dxy空态的占据。这种V t2g轨道占据极大地提高了材料的电导率，联合NH4+插层后拓宽的层间距，从而显著加速了锌离子（Zn2+）的转移，实现了锌离子电池的超高倍率性能。测试结果表明，在电流密度为200 C时，铵根插层五氧化二钒（NH4+-V2O5）正极材料的比容量仍维持在101.0 mA h g-1，且充电时间仅需18 s。该工作不仅从原子轨道方面对插层型V2O5材料中Zn2+储能机制的理解提供了依据，也为高性能锌离子电池在快充储能器件中的应用奠定了基础。
中国科学技术大学国家同步辐射实验室研究生王一琇和魏世强、特任副研祁正航为论文共同第一作者，陈双明副研究员和宋礼教授为该论文的共同通讯作者。本工作得到了国家基金委杰出青年基金、国家基金委大科学装置联合重点、科技部重点研发计划、中国科学院青年创新促进会、中国科学院国际伙伴计划、合肥综合性国家科学中心能源研究院等项目的资助。
论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2217208120