近日，山东理工大学王红强教授和郑州大学化学学院李丹副教授团队依托国家超级计算郑州中心“嵩山”超级计算机的强大算力，通过一系列的非原位表征和理论计算，深入研究了Zn²⁺的储存机理和动力学分析，为开发高性能锌离子电池（ZIBs）新型钒基正极提供了理论依据。相关研究成果以《EndowingV₆O₁₃/CeVO₄heterojunction with substantial improvements on zinc ion storage performance》为题在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》上发表，并对国家超级计算郑州中心致谢。硕士生承静云为本文第一作者，王红强教授等为通讯作者。以上研究依托郑州中心“嵩山”超级计算机的强大算力开展，得到了郑州中心的大力支持和协助。

充电水系锌离子电池因其具有高安全性、高离子电导率和方便组装等优点，被认为是有前途的、可期待应用于大规模的电化学储能领域下一代能源存储设备之一。因此，设计合适的正极材料已成为促进水系ZIBs发展的重要途径。该研究工作通过采用一步水热法合成了一系列含不同进料比的铈、钒纳米片状V₆O₁₃/CeVO₄复合材料，对V₆O₁₃/CeVO₄建立异质结模型进行第一性原理计算，结果表明，与CeVO₄的结合很大程度地提高了V₆O₁₃费米能级的TDOS值，进而提高了复合材料的电导率。功函数的计算结果显示，在V₆O₁₃/CeVO₄异质结中形成了一个负空间电荷区，从而形成一个从CeVO₄指向V₆O₁₃的内置电场(BIEF)。BIEF的存在可以提供额外的电动势，促进电子的迁移。此外，通过研究Zn²⁺在V₆O₁₃/CeVO₄中不同吸附位点的吸附能，发现Zn²⁺更容易吸附在V₆O₁₃/CeVO₄异质结界面上。BIEF的生成和Zn²⁺在异质界面上吸附能的增强，都致使V₆O₁₃/CeVO₄-6阴极表现出优异的电化学性能。

图1理论计算分析:(a)V₆O₁₃/CeVO₄、(b)V₆O₁₃、(c) CeVO₄的DOS， (d)V₆O₁₃/CeVO₄的电荷密度差，(e)V₆O₁₃/CeVO₄的功函数，(f)V₆O₁₃/CeVO₄和V₆O₁₃的V三维轨道的PDOS， (g)V₆O₁₃/CeVO₄不同位置上Zn²⁺的吸附能。

在本研究中，利用良好的异质界面设计和构建正极材料为获得高性能氧化钒基ZIBs提供了一条可行的途径。

文献详情:

Jingyun, C., et al., Endowing V₆O₁₃/CeVO₄heterojunction with substantial improvements on zinc ion storage performance. Chemical Engineering Journal, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144845