近日，東南大學材料科學與工程學院胡林峰教授課題組提出了一種多元離子納米限域組裝的策略，在水係電池的金屬離子輸運動力學調控方麵取得了重要進展，成果以“Multiple Cations Nanoconfinement in Ultrathin V2O5 Nanosheets Enables Ultrafast Ion Diffusion Kinetics toward High-performance Zinc Ion Battery”（五氧化二釩薄層的多陽離子納米限域誘導超快鋅離子傳輸動力學及其水係電池應用）為題在線發表於材料領域頂級期刊Advanced Materials上。

開發清潔的新能源是當前“擺脫傳統化石能源依賴、實現雙碳目標”這一國家重大戰略需求的重要途徑。基於鋅金屬的水係電池以其低成本、高安全性成為當前新型儲能領域的世界前沿。然而，鋅離子在電極材料內部緩慢的輸運動力學導致這種電池的倍率特性、能量密度、循環壽命等方麵性能均不足，成為其大規模應用的瓶頸問題和研究的難點。

針對這一挑戰，課題組最近提出了一種多陽離子誘導的超分子自組裝方法，分別實現了多種單組分的陽離子（NH4+， Na+， K+， Mg2+， Ca2+， Zn2+， Al3+）和多陽離子（雙組分NH4+/Na+、三組分NH4+/Na+/Ca2+、四組分NH4+/Na+/Ca2+/Mg2+）在單原子層氧化釩材料間的嵌入。研究發現，單陽離子誘導自組裝獲得的釩基正極材料可以實現鋅離子輸運動力學的顯著提升，最高擴散係數達到7.5×10-8 cm2 s-1，超越了迄今為止報道的大多數動力學性能（圖1）；另一方麵，多陽離子限域材料則因協同柱撐效應增強了結構穩定性和循環壽命。在此基礎上通過密度泛函理論計算揭示了獲得超快離子擴散動力學的物理機理：鋅離子和氧化釩的懸掛氧原子之間的相互作用因陽離子限域約束而顯著減弱，從而導致鋅離子擴散能壘的降低。該工作發展了一種多元陽離子協同納米限域策略用於高性能的水係電池正極材料，闡明了層狀釩基材料的層間金屬離子對於其儲鋅性能的影響規律，對於多組分客體陽離子協同調控鋅離子擴散動力學提供了新的理解。

論文的第一作者為東南大學碩士生劉揚、博士後陸成傑，胡林峰教授為該論文的通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省傑青和東南大學中央高校優秀青年團隊項目的資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/ 10.1002/adma.202312982