近日，华南理工大学物理与光电学院赵彦明教授团队与赵宇军教授团队合作，首次报道了层状钒基氧化物作为新型水系镍离子电池正极材料的研究结果，相关研究成果发表在国际一流期刊《Energy Storage Materials》（IF=20.4）。其中，华南理工大学为论文的第一署名单位，物理与光电学院博士生周红燕、闫小童为论文的共同第一作者，邝泉副教授、赵宇军教授和赵彦明教授为论文的共同通讯作者。 

        由于镍金属负极具有高容量密度(8133 mAh cm⁻³)、较小的离子半径(69 pm)和不易产生枝晶等优点，水系镍离子电池在众多多价离子电池中脱颖而出。然而，镍离子的高电荷密度使得载流子与正极材料之间具有较强的静电相互作用，从而导致了缓慢的镍离子扩散动力学。此外，缺乏合适的正极材料、不明确的镍离子存储机制及其扩散路径等问题严重制约了水系镍离子电池的开发应用。

基于此，本文作者创新性的设计了一种“铁离子预嵌入的双层五氧化二钒”用作水系镍离子电池正极材料。该材料因其较大的层间距能提供快速的镍离子扩散通道，并且预嵌入铁离子作为层间支柱增强了五氧化二钒的层状结构稳定性，进一步与石墨烯复合提升了电极材料的导电性。因此，该正极材料在水系镍离子电池中呈现出较高的可逆比容量（在0.5C下获得169.8 mAh g^-1的高比容量）和超长的循环寿命（在10C下循环320圈容量保持率高达91.9%）。通过原位X射线衍射、非原位拉曼光谱和X射线光电子能谱等表征方法系统研究了水系镍离子的充放电机理，第一性原理计算结果揭示了镍离子在正极材料中的扩散路径，利用循环伏安、交流阻抗和恒电流间歇滴定等测试结果深入分析了该体系的电化学动力学特性。这项工作对水系镍离子电池及其正极材料开发和机理研究具有重要的借鉴意义。 

相关论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103340

（图文/周红燕）