水系锌离子电池具备储量大、理论容量高、氧化还原电位低、水中稳定性好等优点，且相比锂离子电池成本更低、更安全，成为了锂离子电池潜在的替代电池技术，引起了广泛关注。但锌枝晶生长、缺乏合适的正极材料等问题阻碍了该电池技术发展。新加坡南洋理工大学Qingyu Yan教授课题组利用简单的原位化学反应在五氧化二钒（V2O5）电极中引入混合价态、增加层间水含量、增加了层间距，从而提升了V2O5电极离子扩散速度和锌离子储量，进而增强了电池倍率性能和循环稳定性。
研究人员将水合肼与V2O5（VO）溶液进行混合使其发生部分的氧化还原反应，以在V2O5中引入更多层间水，增大了层间距，获得了含有层间水的复合V2O5-H2O（VHO）电极，扫描电镜显示整个复合电极呈现三维的空间网络结构，由厚度约15 nm纳米片单元组成。高分辨的透射电镜显示，VHO电极晶格面间距增加到了14 埃（VO电极为11.6 埃）。这种大层间距三维网络结构有助于电解液和电极充分接触、有助于离子快速传输和离子高容量存储。近边X射线吸收精细结构（XANES）测试发现，VHO含有V4+和V5+两个混合价态，相比之下VO只含有V5+价态，混合价态有助于提升材料的导电性。此外由于混合价态存在，材料中也会产生氧空位，而氧空位的存在有助于离子快速传输和保持材料结构稳定性。除了上述正极，研究人员还设计合成了锌/不锈钢网复合材料（Zn-SS），扫描电镜显示Zn-SS同样呈现出三维网络结构，这有助于抑制锌枝晶的生长。随后研究人员以VHO或者VO为正极、Zn-SS或者Zn为负极组装成一系列水系锌离子电池，研究电极对器件性能的影响。实验结果显示，相比纯Zn，Zn-SS复合电极具有更低的极化和更长的循环寿命，主要原因是Zn-SS具有比Zn更均匀的Zn沉积/剥离性能，即锌枝晶生长得到了有效抑制。在0.1 A/g电流下进行恒电流充放电循环测试，结果显示基于VHO正极电池放电比容量达到了450 mAh/g，远高于没有层间水的VO电极器件（352 mAh/g）。而将放电电流增大到100倍时（10 A/g），VHO电极电池依旧可以获得222 mAh/g的比容量，而VO电极比容量大幅减少到127 mAh/g。且VHO电极电池循环3000余次后仍可保持72%的初始容量，而VO电池仅保持初始容量的51%。VHO电极优异性能主要归因于具有混合价态，含有更多层间水（更大的层间距）以及有效锌枝晶抑制。研究人员还进一步构建了半固态水系锌离子电池，实验结果表明其同样具备了优异倍率性能和循环稳定性。
该项研究通过简单的原位氧化还原反应在V2O5电极中同时引入混合价态和层间水，增强了电极离子传输，提升了储锌容量和电极结构稳定性，同时Zn-SS复合电极有效地抑制锌枝晶，上述多重效益叠加增强了电池的倍率性能和循环稳定性，为设计开发高性能高安全性的锌离子电池提供了全新的解决方案。相关研究成果发表在《Nano Energy》 。
