近日，深圳大学化学与环境工程学院孙灵娜教授团队在期刊《Advanced Energy Materials》（影响因子29.7，中科院JCR 1区，TOP期刊）上发表了题为《In-Situ Grown Hierarchical Electrospun Nanofiber Skeletons with Embedded Vanadium Nitride Nanograins for Ultra-Fast and Super-Long Cycle Life Aqueous Zn-Ion Batteries》的研究论文，同时也是当期期刊的封面论文。该团队蒋圣阳硕士研究生和张颖朦副研究员为共同第一作者，孙灵娜教授和新加坡科技与设计大学杨会颖教授为共同通讯作者。深圳大学为第一作者单位和通讯单位。以下是论文的摘要和封面。

随着电子产品消费的迅速增长，电动汽车产业的蓬勃发展和绿色能源的广泛普及，人们对储能器件的安全性和环保性提出了更高的需求。尽管锂离子电池具有高的能量密度，匮乏的锂资源和易燃的有机电解液引发的安全问题限制了锂离子电池的大规模应用。低成本且安全环保的可充电的水系锌离子电池 (ZIBs) 具有低氧化还原电位（-0.76 V vs标准氢电极），高锌负极理论容量 (820 mAh g-1)，是目前最有前景的商用锂离子电池替代品之一。然而，ZIB的商业利用一直受到循环稳定性不足和能量密度偏低的阻碍，这要求稳定的正负极和拓宽的电压窗口。

图1. 3D自支撑多级VN/N-CNF电极的合成路线和物理表征

ZIB的正极材料是延长循环寿命和提高能量密度的主要决定因素。在研究最多的正极材料中，钒基材料具有多种氧化态、丰富的组成形式和多样的结构，通常具有更高的可逆容量、更长的循环寿命和令人满意的倍率性能。氮化钒（VN）具有高的电导率和离子电导率，可以发生转化反应，并实现钒原子的最大双电子氧化还原。因此，VN基材料可以被电化学氧化成高价，并获得825 mAh g-1的理论比容量，高于大多数V基氧化物，如V2O5（589 mAh g-1）。尽管通过电化学氧化VN基材料，ZIB正极材料的容量已大大提高，但循环稳定性的提高仍然是一个挑战。还应指出，几乎所有已报道的VN基材料是通过在NH3中退火商用V2O5粉末或与三聚氰胺粉末（作为氮源）混合制备的。然而，NH3的储存和操作可能会引发一些安全问题，而商用五氧化二钒粉末无法有效控制其形貌。

鉴于此，该团队将V-MOF的功能特征与静电纺丝技术相结合，制备了具有多级结构并内嵌VN纳米颗粒的3D自支撑N掺杂碳纳米纤维（VN/N-CNFs）复合材料。这种多级结构是通过两步热处理获得的，其从主干碳纳米纤维中生长出晶须状次级纳米结构。基于钒元素的金属-有机框架材料 (V-MOFs) 实现了活性VN纳米结构在静电纺丝纳米纤维碳框架中的原位均匀分布，这不仅可以防止0维活性纳米颗粒的自聚集，还提供了具有保护性和导电性的保护层，以避免活性材料与水电解质的直接接触。此外，这种树枝状的多级纳米结构可以有效地减轻电极材料的结构退化和体积变化。因此，这种设计策略有助于水性ZIBs的超长循环寿命和超高倍率性能。进一步结合原位电化学活化和转化过程，电极在0.5 A g-1下可获得高达734 mAh g-1的可逆容量。此外，VN/NCNFs正极在50 A g-1下循环30000次后表现出482 mAh g-1的稳定容量，甚至在100 A g-1的超高倍率下提供297 mAh g-1的放电容量。这项工作为具有高容量和高能量/功率密度的超大倍率和超长循环寿命水系ZIB的电极设计提供了依据。

图2. 3D自支撑多级VN/N-CNF电极的电化学性能

这项工作得到了国家自然科学基金（No.21471100，22005199）、深圳市自然科学基金会（稳定支持计划项目20200813081943001）和广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515010241，2021A1515010142）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202202826