随着可再生能源和大规模储能技术的快速发展，开发兼具高安全性、低成本和长循环寿命的新型储能器件已成为当前能源材料领域的重要研究方向。水系锌离子电池（AZIBs）因锌金属负极理论容量高、资源丰富、安全性好以及水系电解液环境友好等优势，被认为是极具应用前景的下一代储能体系之一。

在众多正极材料中，钒基材料凭借多价态氧化还原特性和开放晶体结构，能够提供较高的可逆容量和较好的循环稳定性。然而，二价 Zn2+ 与钒氧骨架之间较强的静电相互作用，往往会导致 Zn2+ 迁移能垒升高、反应动力学缓慢以及长期循环过程中的结构退化，进而限制其倍率性能和循环寿命。因此，如何同时提升钒基正极材料的电子/离子传输能力并抑制结构衰减，是实现高性能水系锌离子电池的关键。

近日，上海大学焦正教授和程伶俐教授团队在国际期刊《Journal of Power Sources》上发表了题为“Spontaneous phase transformation of V2O3/VN-CNFs to dynamically construct crystal/amorphous VOx heterointerface for high-efficiency and stable aqueous zinc-ion battery”的研究论文。该工作提出了一种动态晶态/非晶界面工程策略，通过静电纺丝结合可控热处理构筑 V2O3/VN-CNFs 前驱体，并在电化学循环过程中诱导 VN 原位转化为非晶 VOx，进而与晶态 VOx 耦合形成紧密接触的晶态/非晶 VOx（c-VOx/a-VOx）异质界面。

该结构充分结合了晶态相与非晶相的优势：晶态 VOx 域能够提供良好的电子传输通道和稳定的骨架支撑，非晶 VOx 区域则富含缺陷位点，有利于 Zn2+ 的快速存储与扩散。同时，晶态/非晶异质界面处形成的内建电场和电荷重分布，可进一步促进界面电荷转移并降低 Zn2+ 扩散阻力。得益于这一动态自优化结构，所得 c-VOx/a-VOx-CNFs 正极表现出优异的水系锌离子存储性能：在 0.5 A g-1 下实现 715.3 mAh g-1 的高可逆容量，在 100 A g-1 的超高电流密度下仍保持 400.1 mAh g-1 的容量，并在 20000 次循环后保持 95.5% 的容量保持率。

图1：V2O3/VN-CNFs 的形貌与结构表征。

通过静电纺丝技术制备 VCl3/H2BDC@PAN 纳米纤维，经预氧化和氩气气氛下高温煅烧后获得 V2O3/VN-CNFs 复合纳米纤维。SEM 和 TEM 结果显示，V2O3 与 VN 纳米结构均匀分布于碳纳米纤维网络中，形成连续互联的三维导电骨架。该结构不仅有利于电子快速传输，还能够缓解反复 Zn2+ 嵌入/脱出过程中产生的体积变化。HRTEM 中可观察到 V2O3 的（113）和（110）晶面以及 VN 的（200）晶面，SAED 结果进一步证明了 V2O3/VN-CNFs 的多晶特征，为后续电化学诱导相变和晶态/非晶异质界面构筑提供了结构基础。

图2：V2O3/VN-CNFs 的物相组成与表面化学状态。

XRD 结果表明，预氧化纤维表面的纳米棒结构可归属于 MIL-88B(V)，而煅烧后的 V2O3/VN-CNFs 同时表现出 V2O3 和 VN 的特征衍射峰，证明成功构筑了钒氧化物/钒氮化物双相结构。XPS 进一步揭示了材料中 C、N、O、V 元素的存在及其化学状态，其中 V-O、V-N-O、N-V 等特征峰说明 V2O3 与 VN 之间存在紧密的化学耦合。这种稳定的异质结构为电化学循环过程中 VN 向非晶 VOx 的转化及界面重构奠定了基础。

图3：V2O3/VN-CNFs 正极的电化学性能。

在水系锌离子电池测试中，V2O3/VN-CNFs 表现出显著优于对比样品的容量和倍率性能。CV 曲线显示，在初始循环中高电压区出现明显氧化电流，主要归因于 VN 的电化学活化，包括 V-N 键断裂、V-O 键形成以及低价 V 物种氧化，从而推动 VN 转化为非晶 VOx，并逐步构筑晶态/非晶 VOx 异质界面。随后循环中，电极呈现稳定的氧化还原峰，表明其具有良好的可逆反应特性。

在 0.5 A g-1 下，V2O3/VN-CNFs 正极可提供 715.3 mAh g-1 的高放电容量，明显高于 V2O3-CNFs、a-VOx-CNFs 和 V2O3@C 等对比样品。即使在 100 A g-1 的高电流密度下，仍可保持 400.1 mAh g-1 的高容量，展现出优异的快速充放电能力。此外，该电极在 40 A g-1 下循环 20000 次后仍保持 95.5% 的容量保持率，说明动态形成的 c-VOx/a-VOx 异质界面能够有效维持结构稳定性并优化界面反应动力学。

图4：V2O3/VN-CNFs 的储能机制分析。

通过 ex situ XRD 和 XPS 表征，研究者进一步揭示了 V2O3/VN-CNFs 在充放电过程中的相变和价态演化。放电过程中，电极中出现 Zn3(V2O7)(OH)2(H2O)2 等锌离子嵌入相关产物，说明Zn2+ 参与了电荷存储过程；充电后 Zn 相关信号明显减弱，表明 Zn2+ 可从正极中可逆脱出。同时，N 元素含量在首次充电后明显下降，进一步证明 VN 向 VOx 的转化过程。V 2p XPS 结果显示，充放电过程中 V 价态在 V⁵⁺/V⁴⁺之间发生可逆变化，说明钒基氧化还原反应是该材料实现高容量的重要来源。

图5：DFT 计算揭示晶态/非晶界面的内在优势。

DFT 计算进一步从电子结构层面解释了 c-VOx/a-VOx 异质界面对 Zn2+ 存储的促进作用。计算结果表明，c-VOx/a-VOx 对 Zn2+ 的吸附能达到−2.82 eV，明显优于单一 c-VOx 和 a-VOx，说明晶态/非晶界面能够提供更有利的 Zn²⁺ 锚定位点。差分电荷密度结果显示，c-VOx/a-VOx 界面处存在明显电荷重分布，Zn2+并形成内建电场，有助于推动 Zn2+ 定向迁移。态密度分析显示，c-VOx/a-VOx 在费米能级附近具有更高且连续的电子态密度，表明该异质结构具备更强的金属性和更优异的电子传输能力，从而加速界面电荷转移和氧化还原反应动力学。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.240831

人物简介：

焦正，上海大学教授，博士生导师。俄罗斯工程院外籍院士，现任上海大学科技合作处处长，中华环保联合会VOCs污染防治专业委员会副主任委员，IEEE 高级会员，电子学会高级会员，美国化学学会会员。长期从事环境功能材料的控制合成、机理及工程应用研究，具体研究方向包括污染物治理关键材料与技术、环境污染物检测材料与传感器件、新能源材料等。发表SCI论文约262篇，他引6000余次，H因子45；承担过国家自然科学基金、上海市科委重点项目等20余项科研项目；获得授权国家专利约60项。曾获得广东省科技进步奖一等奖，多次获得上海市科技进步奖，2022年荣获中国技术市场领域最高奖项“金桥奖”。

程伶俐，上海大学教授，博士生导师。2010年毕业于同济大学，获得博士学位。2008-2010年期间，获得国家留学基金委资助，赴日本大阪大学产业科学研究院进行博士生联合培养。2017年、2018年分别在澳大利亚昆士兰大学、英国伯恩茅斯大学进行访学。主要研究方向为环境功能材料，主要包括新型碳材料、过渡金属氧化物和光催化功能材料，电化学功能材料及气敏材料的可控制备及其性能研究。作为项目负责人，承担过国家自然科学基金青年基金1项、面上项目1项、上海市教委科技创新项目、以及重大横向等多项科研项目。以第一/通讯作者在Coordination Chemistry Reviews（IF=20.6）、Applied Catalysis B: Environmental（IF=22.1）、Chemical Engineering Journal (IF=15.1)、Small（IF=13.3）、Carbon（IF=10.9）、Journal of Colloid and Interface Science（IF=9.9）等行业权威期刊发表相关SCI研究论文48篇，申请国家发明专利25项（已授权16项），获得2018年上海市科技进步一等奖，以及2022年中华环保联合会科学技术一等奖。