隨著電動汽車和智能電網(wǎng)時代的來臨，由于鋰的資源，成本和安全性問題，目前的商用鋰離子電池（LIB）不能滿足大規(guī)模功耗的需求。鈉離子電池（SIB），具有資源豐富，成本低廉，以及類似的能量儲存機(jī)制，已成為最具吸引力的候選人之一。然而，由于鈉離子半徑大于鋰離子半徑，缺乏合適的負(fù)極材料，制約了其發(fā)展。近年來，一直致力于研究負(fù)極材料。具有出色的金屬導(dǎo)電性，抗氧化，抗腐蝕和化學(xué)穩(wěn)定性的過渡金屬氮化物已成為最具吸引力的能源材料之一。其中，氮化釩（VN）因為其低分子量表現(xiàn)出優(yōu)異的質(zhì)量比容量，但由于VN體積變化大(LIB為240%，SIB為34%，Na+離子半徑比Li+離子半徑大)，導(dǎo)致低倍率和循環(huán)性能下降是影響實際應(yīng)用的主要因素。因此，迫切需要尋找探索VN的新結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)SIB的長期循環(huán)穩(wěn)定性的需求。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宋禮教授和Shuangming Chen博士在國際知名學(xué)術(shù)期刊Advanced Energy Materials上發(fā)表了一篇題目為：Dial the Mechanism Switch of VN from Conversion to Intercalation toward Long Cycling Sodium-Ion Battery的研究論文，文章報道了一種源自V2C MXene的新型層狀VN ，作為SIB的新負(fù)極材料。這是首次在SIB上應(yīng)用分層VN。得益于這種獨特的分層結(jié)構(gòu)，VN的能量存儲機(jī)制已從傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換類型轉(zhuǎn)變?yōu)椴鍖于I電容類型。結(jié)果，它可以在大范圍的電流密度下提供高容量，并具有出色的倍率性能。更重要的是，它在7500次循環(huán)中顯示出卓越的長期循環(huán)穩(wěn)定性， 而在500 mA g?-1時沒有容量衰減。本文還通過使用原位X射線衍射（XRD）和非原位X射線吸收結(jié)構(gòu)（XAS）表征研究了存儲機(jī)理，發(fā)現(xiàn)插入的贗電容對于優(yōu)異的性能起著重要的作用。另外，混合器件使用分層VN為負(fù)極，活性炭作為正極，顯示出在260 W kg-1功率密度下78.43 Wh kg?-1的能量密度和55.25 Whkg?-1高功率密度下3900 W kg-1的在能量密度。

圖1.?兩種不同類型的VN的對比。a）具有轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)制的塊狀VN。b）Al原子柱狀的VN具有脫/插層機(jī)制

圖2.?V2CMXene氨化法制備VN的結(jié)構(gòu)表征

圖3.VN和VN @ rGO化合物對SIB的電化學(xué)性能

圖4.?鈉離子行為的動力學(xué)

圖5.VN負(fù)極的結(jié)構(gòu)演變分析

圖6.鈉離子混合電容器性能

本文報道了一種新型的層狀VN，它是通過V2C MXene氨化合成的，用于高性能的Na+存儲。作為用于SIB的獨特的分層負(fù)極材料，它在50 mA g-1時可提供372 mA hg-1的高容量，具有出色的倍率性能和長期循環(huán)穩(wěn)定性，在7500個循環(huán)中無容量衰減，在500 mA g?-1比容量為115 mA hg-1。通過與還原石墨烯（VN @ rGO）復(fù)合可以進(jìn)一步增強(qiáng)性能。這些先進(jìn)性能可歸因于獨特的以鋁原子為柱，外覆碳的層狀結(jié)構(gòu)。VN具有優(yōu)異的金屬電導(dǎo)性和插層型機(jī)制，有助于緩解Na+在層間距中并形成穩(wěn)定Na+插入的結(jié)構(gòu)。此外，存儲機(jī)制是插層贗電容的特征，它不同于傳統(tǒng)的巖鹽VN?；诖朔謱拥腣N，結(jié)合了AC，可以構(gòu)建出色的混合動力器件。這種獨特的VN的設(shè)計為儲能領(lǐng)域中的其他金屬氮化物指明了新的方向。

文獻(xiàn)鏈接：

https://doi.org/10.1002/aenm.201903712

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