作為鋰電池的有力替代者，鈉離子電池、鉀離子電池、鋅離子電池和鋁離子電池均未找到合適的課上用的電極材料。近日，澳大利亞悉尼科技大學(xué)的汪國秀教授和他的團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建多層復(fù)合異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，制備的VOPO4-石墨烯復(fù)合材料可同時(shí)在多種二次電池中表現(xiàn)出良好電化學(xué)性能，并通過原位XRD、DFT計(jì)算等對其反應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了表征。相關(guān)論文以題為Strainengineeringoftwo-dimensionalmultilayeredheterostructuresforbeyond-lithium-basedrechargeablebatteries在NatureCommunication上發(fā)表。

近年來鈉、鉀、鋅、鋁離子電池因?yàn)楦叩呢S度，更低的成本，逐漸成為材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但目前電極材料還遠(yuǎn)未達(dá)到人們的期望，合適的電極材料至今還在尋找當(dāng)中。從前驅(qū)層狀材料中剝離2D層狀納米片被認(rèn)為制備新型儲能材料的有效途徑。但這種剝離的層狀結(jié)構(gòu)中相互垂直的納米片很容易在循環(huán)過程中引起結(jié)構(gòu)的崩塌。因此，設(shè)計(jì)出具有層狀異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的材料極有可能有助于提高電極的電化學(xué)性能。

本文中，作者依據(jù)以上推論，利用改性的石墨烯，設(shè)計(jì)了VOPO4-石墨烯復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)。電鏡結(jié)果表明該材料內(nèi)VOPO4和石墨烯互相交替堆疊。通過計(jì)算和其他表征手段，證明這種結(jié)構(gòu)可以很好地降低離子（以鉀離子為例）嵌入時(shí)的勢壘，并在充放電過程中保持材料的穩(wěn)定性，使得電極具備良好的電化學(xué)性能。當(dāng)用作鉀離子電池中時(shí)，獲得了160mAhg-1的高比容量和570Whkg-1的高能量密度，該材料還可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他二次電池（Na+電、Zn2+電、Al3+電）中。此外，通過原位XRD和計(jì)算，還對其反應(yīng)機(jī)制和零應(yīng)變進(jìn)行了分析表征。

總的來說，作者利用剝離的VOPO4和改性的石墨烯，制備出了多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特2D結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以有效地保持自身的穩(wěn)定性，導(dǎo)致電極在多種二次電池中均表現(xiàn)出極高的容量和穩(wěn)定性。通過大量表征手段和計(jì)算模擬，作者對其離子嵌入脫出機(jī)制和相應(yīng)應(yīng)變過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析。這種應(yīng)變工程思路同時(shí)還可以應(yīng)用于其他的2D電極材料的設(shè)計(jì)之中。（文：Today）

圖1樣品的制備及離子嵌入脫出過程的示意圖

圖2(a)VOPO42H2O晶體的SEM照片；(b)剝離的VOPO4納米片的TEM照片；(c)剝離的VOPO4納米片的SEM照片；(d)-(h)VOPO4-石墨烯的SEM照片、TEM照片、截面的HRTEM照片、面掃照片和衍射照片；(i)樣品的拉曼圖譜；(j)-(k)VOPO4-石墨烯的統(tǒng)計(jì)拉曼光譜圖；(l)樣品的XRD圖在（001）面對應(yīng)峰的放大圖；(m)樣品的不同層間距示意圖。

圖3VOPO4-石墨烯在鉀離子電池中的原位XRD測試分析和DFT計(jì)算分析。

圖4VOPO4-石墨烯在鉀離子電池中的電化學(xué)性能測試結(jié)果。

圖5(a)-(c)VOPO4-石墨烯在鈉離子電池中的原位XRD測試結(jié)果；(d)VOPO4-石墨烯在鈉離子電池中的倍率-循環(huán)測試圖；(e)-(f)VOPO4-石墨烯分別在鋅離子電池和鋁離子電池中的循環(huán)測試圖。