作为锂离子电池的有力替代者，钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池和铝离子电池均未找到合适的课上用的电极材料。近日，澳大利亚悉尼科技大学的汪国秀教授和他的团队通过构建多层复合异质结结构，制备的VOPO4-石墨烯复合材料可同时在多种二次电池中表现出良好电化学性能，并通过原位XRD、DFT计算等对其反应机制进行了表征。相关论文以题为“Strain engineering of two-dimensional multilayered heterostructures for beyond-lithium-based rechargeable batteries”在Nature Communication上发表。

       近年来钠、钾、锌、铝离子电池因为更高的丰度，更低的成本，逐渐成为材料领域研究的热点。但目前电极材料还远未达到人们的期望，合适的电极材料至今还在寻找当中。从前驱层状材料中剥离2D层状纳米片被认为制备新型储能材料的有效途径。但这种剥离的层状结构中相互垂直的纳米片很容易在循环过程中引起结构的崩塌。因此，设计出具有层状异质结结构的材料极有可能有助于提高电极的电化学性能。

 

       本文中，作者依据以上推论，利用改性的石墨烯，设计了 VOPO4 -石墨烯复合层状结构。电镜结果表明该材料内VOPO4和石墨烯互相交替堆叠。通过计算和其他表征手段，证明这种结构可以很好地降低离子（以钾离子为例）嵌入时的势垒，并在充放电过程中保持材料的稳定性，使得电极具备良好的电化学性能。当用作钾离子电池中时，获得了160 mA h g-1的高比容量和570 W h kg-1的高能量密度，该材料还可以扩展应用于其他二次电池（Na+电、Zn2+电、Al3+电）中。此外，通过原位XRD和计算，还对其反应机制和 “零”应变进行了分析表征。

 

       总的来说，作者利用剥离的VOPO4和改性的石墨烯，制备出了多层异质结结构的独特2D结构。这种结构可以有效地保持自身的稳定性，导致电极在多种二次电池中均表现出极高的容量和稳定性。通过大量表征手段和计算模拟，作者对其离子嵌入脱出机制和相应应变过程进行了详细的分析。这种应变工程思路同时还可以应用于其他的2D电极材料的设计之中。（文：Today）

图1 样品的制备及离子嵌入脱出过程的示意图

图2 (a) VOPO4·2H2O晶体的SEM照片；(b) 剥离的VOPO4纳米片的TEM照片；(c) 剥离的VOPO4纳米片的SEM照片；(d)-(h) VOPO4-石墨烯的SEM照片、TEM照片、截面的HRTEM照片、面扫照片和衍射照片；(i) 样品的拉曼图谱；(j)-(k) VOPO4-石墨烯的统计拉曼光谱图；(l) 样品的XRD图在（001）面对应峰的放大图；(m) 样品的不同层间距示意图。

图3 VOPO4-石墨烯在钾离子电池中的原位XRD测试分析和DFT计算分析。

图4 VOPO4-石墨烯在钾离子电池中的电化学性能测试结果。

图5 (a)-(c) VOPO4-石墨烯在钠离子电池中的原位XRD测试结果；(d) VOPO4-石墨烯在钠离子电池中的倍率-循环测试图；(e)-(f) VOPO4-石墨烯分别在锌离子电池和铝离子电池中的循环测试图。