由于日益嚴重的環境污染和持續的能源消耗，可再生能源和可再生儲能技術對社會發展和人們的生産生活越來越重要。電化學儲能技術是一種較為清潔的儲能方式。在過去的幾十年，由于較高的能量密度、良好的循環穩定性和較低的自放電等特點，锂離子電池能夠滿足大範圍的應用。然而，有限的锂資源、高成本、安全性差和對環境的影響阻礙了锂離子電池的大規模應用。越來越多的研究者緻力于尋找可以替代锂離子電池的綠色、安全、成本低和性能好的二次電池。水系鋅離子電池使用水溶液作為電解液，具有導電性高、安全不易燃、制備相對簡單的特點，近年來引起人們的關注。由于鋅的元素豐度高、價格低、理論密度高達825 mAh/g和較低的氧化還原電位（-0.763 V），被認為有望取代锂離子電池。目前，基于ZnSO₄電解液的弱酸性水系鋅離子電池有三種主要的正極材料，普魯士藍類似物，包括CuHCF、ZnHCF, 二氧化錳的多晶型物，包括a-MnO₂、l-MnO₂、g-MnO₂ 等，五氧化二釩及其衍生物。

　　前期，鄭俊榮老師與其指導的博士研究生以高能球磨得到的納米四氧化三錳為正極，金屬鋅箔為負極，以含有鋅、錳離子的混合水溶液為電解液組裝二次電池，在100 mA g^-1的電流密度下，經過10次循環，尖晶石四氧化三錳發生相轉變，逐漸轉變為二氧化錳，同時比容量增加至221 mA h g^-1；在500 mA g^-1的電流密度下，充放電500次後，比容量保持在136 mAh g^-1，保持92%。經過XRD、TEM、XPS的綜合表征，在充放電過程中，H⁺嵌入/脫出MnO_²。 制備的可充放水系鋅錳離子電池具有電化學能量高、循環性能好、易于大量制備、安全環保等特點，解決了水熱法或者原位電化學沉積法不能大量制備正極材料的難題，有望用于大規模儲能領域和取代鉛酸電池，具備廣闊市場前景，相關工作發表于ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 16055−16063.

圖1. Zn_0.3V₂O₅•1.5H₂O正極材料在充放電過程中形貌和組成分析。

　　近期，他們通過設計一個新的多級多孔鋅釩氧化物結構（圖1）來解決層狀的釩氧化物正極材料在充放電過程中遭受Zn²⁺嵌入/脫出産生的應力引起晶格膨脹/收縮導緻的結構變形，電池循環穩定性差的問題。這種Zn_0.3V₂O₅•1.5H₂O正極在0.2 A g^-1下，具有高的比容量為426 mA h g^-1，表現出前所未有的超長循環穩定性，在10 A g^-1下，20,000次循環後，容量保持96%（圖2）。其電化學機理如下：鋅離子插入引起晶格收縮，水合氫離子插入引起晶格膨脹，相互抵消，在充放電過程中，晶格保持不變，有利于循環穩定性。多級多孔結構提供了正極材料與電解液豐富的接觸，縮短離子擴散路徑，緩解了在電化學過程中産生的應力提供緩沖，有利于快速動力學和長期穩定性。發展的電化學方法制備的三維釩氧化物具有能量密度高、倍率性能好、循環穩定、易于制備等特點，推動了水系鋅離子電池的發展。

圖2. Zn /Zn_0.3V₂O₅•1.5H₂O電池的電化學性能。

　　該工作最近以“Ultralong cycle stability of aqueous zinc-ion batteries with zinc vanadium oxide cathodes”為題在線發表于Science Advances上（DOI: 10.1126/sciadv.aax4279）。鄭俊榮課題組的16級博士研究生王魯魯為第一作者，鄭俊榮和陳繼濤老師為共同通訊作者。相關研究工作受到了國家自然科學基金委、北京分子科學國家研究中心的資助。