南工大张翼/刘祥&西电江山，J. Power Sources.：氧化石墨烯负载的MnV2O6纳米带具有增强的钠离子电池电化学性能

文 章 信 息

氧化石墨烯负载的MnV₂O₆ 纳米带具有增强的钠离子电池电化学性能

第一作者：张镇

通讯作者：刘祥*，江山*，张翼*

单位：南京工业大学，西安电子科技大学

研 究 背 景

钠资源具有成本效益高、可利用性高等特点，其储能机制与锂离子电池相似。因此，钠离子电池有潜力成为当前锂离子电池市场的有力补充，特别是在低速电动汽车、电动船和大型储能系统等应用中。然而，由于其固有的特性导致的低能量密度，如Na⁺离子的大尺寸导致反应动力学缓慢，阻碍了其广泛的商业化。寻找长期循环稳定、倍率性能优异、成本低、容量大的电极材料是当前钠离子电池发展的重要课题。

文 章 简 介

近日，来自南京工业大学的张翼教授、刘祥教授与合作者西安电子科技大学的江山副教授，在国际知名期刊Journal of Power Sources上发表题为“Graphene oxide-supported MnV₂O₆ nanoribbons with enhanced electrochemical performance for sodium-ion batteries”的文章。该文章采用简单的一锅水热法成功合成了氧化石墨烯网络上负载钒酸锰纳米带的复合材料。钒酸锰（MVO）纳米带具有高长宽比，使得离子在径向上的扩散距离更短，从而提高了充放电速率。此外，在循环过程中遇到的应力可以沿轴向释放，有助于整体结构的稳定性。氧化石墨烯的引入有效地减少了颗粒聚集，促进了电解质的渗透，并在循环过程中为体积膨胀提供了空间。MVO/GO复合材料表现出优异的电化学性能。在100 mA g^-1电流密度下循环100次后，仍然保持323.8 mAh g^-1的可逆比容量。即使在2 A g^-1的高电流密度下，900次循环后比容量仍保持在191.2 mAh g^-1，库仑效率高达99.7%。

图1. MVO/GO复合材料的形成示意图

图2. a) MVO/GO和b-MVO的XRD谱图。b)拉曼光谱，c) MVO/GO的TGA结果。MVO/GO中d) mn2p, e) v2p和f) c1s的高分辨率XPS光谱。

图3. a) b-MVO和b) MVO/GO的SEM图像，c) MVO/GO的TEM图像和d) MVO/GO的HRTEM图像，e) MVO/GO的SAED模式，f) Mn、V、O和c的EDS元素映射。

图4. MVO/GO电极材料的电化学性能表征: a) 扫描速率为0.2 mV s⁻¹时MVO/GO电极的CV曲线。b) 100 mA g⁻¹电流密度下MVO/GO和b-MVO的电化学性能。c) 电流密度为100 mA g⁻¹时MVO/GO的电压分布图。d) MVO/GO和b-MVO材料的速率性能。e) MVO/GO和b-MVO在1000 mA g⁻¹电流密度下循环500次的电化学性能。f) MVO/GO在2 A g⁻¹下的长期循环性能。g) 将本研究的循环次数、电流密度和比容量与前人报道的钠离子电池金属钒酸盐阳极进行比较[14,15,19,23,26,31 -37]。

图5所示。a) MVO/GO电极在不同扫描速率下的 CV曲线。b) 峰1和峰2对应的对数(峰值电流)与对数(扫描速率)图。c) 不同扫描速率下MVO/GO的归一化贡献率。d) MVO/GO和b-MVO电极在初始状态和第100次循环后的EIS。

本 文 要 点

要点1：合成了与氧化石墨烯结合的纳米带状MnV₂O₆

采用简单的一步水热法合成了氧化石墨烯纳米带状MVO。氧化石墨烯的加入增强了结构稳定性，减少了结构堆积，加速了离子/电子的传输速率。

要点2：石墨烯氧化物作为底物可以减少MnV₂O₆纳米带的团聚

氧化石墨烯(GO)被引入作为缓冲衬底材料来修饰过渡金属钒酸盐MVO纳米带。氧化石墨烯具有较大的比表面积和良好的结构稳定性，可以有效地增强MVO纳米带的结构稳定性，从而提高其电化学性能。此外，氧化石墨烯的掺入可以有效地缓解纳米带的聚集，在纳米带之间产生间隙。这不仅为钠离子的插入/提取过程中的体积膨胀提供了空间，而且有利于电解质的渗透，从而增加了有效反应表面积。MVO纳米带本身厚度较薄，长度较长，从而缩短了径向输运距离，缩短了输运时间，加快了充放电速率。此外，在充放电过程中产生的应力可以轴向释放，大大提高了结构的稳定性。

要点3：优异的钠离子电池性能

MVO/GO复合材料表现出优异的电化学性能。在100 mA g⁻¹电流密度下循环100次后，仍保持323.8 mAh g⁻¹的可逆比容量。即使在2 A g⁻¹的高电流密度下，900次循环后比容量仍保持在191.2 mAh g⁻¹，库仑效率高达99.7%。

要点4：研究的意义与未来展望

这项研究对于寻找长期循环稳定、倍率性能优异、成本低、容量大的电极材料具有一定的指导意义。预示着钠离子电池将潜力成为当前锂离子电池市场的有力补充，特别是在低速电动汽车、电动船和大型储能系统等应用中。

文 章 链 接

Graphene oxide-supported MnV₂O₆ nanoribbons with enhanced electrochemical performance for sodium-ion batteries

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234117

通 讯 作 者 简 介

刘祥教授简介：南京工业大学二级教授。致力于乳液聚合物反应动力学及高分子材料在锂离子电池中的应用。主持多项国家级、省级重大专项，围绕着国家的工业需求开发了具有世界先进水平的产业技术2项，国内先进水平的产业技术1项。荣获中国化工学会科学技术奖“基础研究成果奖”三等奖。在国际知名刊物Adv. Sci.、CEJ、ACS AMI等发表学术论文60余篇，申请发明专利63余项，其中国内授权23项，国外授权9项。

江山副教授简介：西安电子科技大学副教授。主要研究方向有柔性电子、超材料、超表面、能源电子等。近五年来出版英文专著1部，以一作或通讯在Advanced Materials、The Innovation、ACS Nano等期刊发表SCI论文20余篇，其中影响因子>20的4篇，高被引1篇。主持国家自然科学基金青年项目、中央高校基本科研业务费（西电优青储备）、航空科学基金、博士后基金特别资助/面上项目等。担任英文期刊Biomaterials and Biosensors副主编，国家自然科学基金机械方向函评专家，Rare Metals、iScience等SCI期刊客座编辑，Advanced Materials、Advanced Functional Materials、The Innovation、Nonlinear Dynamics、《振动与冲击》等20余本国内外学术期刊审稿人。

张翼教授简介：南京工业大学教授。致力于各种电化学储能体系电极材料的研究，主要包括锂/钠离子电池、锌离子电池快充负极材料。主持国家重点研发子课题、国家自然科学基金、博士后基金面上项目、江苏省高校自然科学基金等项目。在Chem. Soc. Rev.、Ener. Stor. Mat.、Nano-micro Lett.、Adv. Sci.、CEJ、ACS AMI等期刊累计发表SCI论文80余篇，5篇入选ESI高被引论文，论文被引近5000次，H因子33。申请发明专利近10项。荣获中国化工学会科学技术奖“基础研究成果奖”三等奖。担任《稀有金属》和《Rare Metals》双刊青年编委；担任Journal of the American Chemical Society等二十余个国际知名SCI期刊审稿人。

第 一 作 者 简 介

张镇，南京工业大学博士研究生，研究方向为锂、钠离子电池负极材料。