高功率耐用水性锌NEC锂电池复合电极中的点线混合渗透导电碳网络

水性锌离子电池（AZIBs）在电网级储能方面前景看好，但其阴极常常存在低电子导电率，这会加剧极化并加速循环引起的接触损耗。在这里，我们将阐明导电网络架构在分层V中的作用₂O₅复合阴极通过将外部导电碳添加剂含量固定在10 wt%，并系统性地调整0D Ketjen黑（KJ）和1D气相生长碳纤维（VGCF）之间的质量比。优化后的配方称为KV55，KJ与VGCF的比值为5：5，在复合电极中形成分层点线混合电子渗透网络，其中VGCF提供连续的长程导电支架，KJ则生成密集的局部接触节点，连接活性粒子和纤维。因此，KV55实现了最高的平面内导电率24.65 S cm。⁻¹以及测试电极中界面电阻最低，从而降低极化并提升速率能力。其可逆容量高达475.8 mAh g。⁻¹在0.2 A g⁻¹并维持250.1 mAh g。⁻¹20安培加力⁻¹.在10安克的长期循环下⁻¹KV55 保持 341.6 mAh 克⁻¹4000个循环后，容量保留率为87.8%。这些结果为构建碳高效导电网络提供了实用指导，以缓解电子传输限制并稳定低导电率层状阴极中的电极接触。

图形摘要

可再生能源发电的快速扩展和对公用事业规模储能需求的增长，迫切需要安全、经济且可扩展的储能技术，从而实现可再生能源可靠地整合入电网[[1]， [2]， [3]， [4]， [5]， [6]]。由于其本质安全性、丰富的锌资源和环保加工，水性锌离子电池（AZIBs）被认为是储能的领先解决方案[[7]， [8]， [9]]。然而，在电极层面，实际能量密度和周期寿命常常受限于阴极内电子导导不足和结构逐渐退化的耦合效应。这些因素导致反应利用不均匀，极化度增加，从而加速容量衰减[[10]， [11]， [12]]。因此，超越材料本质特性，电极级电荷-传输网络工程已成为提升实际性能的重要途径。值得注意的是，上述瓶颈，即电荷输运动力学迟缓和机械诱导结构劣化，是多种电化学能量储存和转换系统中常见的挑战。为解决这些问题，先进复合材料已成为能量储存和转换技术的基础，涵盖电池之外，还包括超级电容器、电催化系统和热能储存[[13]， [14]， [15]]。在这些多样化领域，将活性材料与导电碳框架结合已被广泛认可为克服内在动力学限制和缓冲机械降解的基础策略[[16]， [17]， [18]]。最新研究进一步表明，合理设计的碳基复合材料，如多维渗入导电网络，能有效促进快速电荷传输。同时，这些结构有助于在反复循环时保持结构完整性，从而提高高性能电极的实用能量密度和长期耐久性[[19]， [20]， [21]]。
在AZIB中，层状五氧化钒（V₂O₅）是一个有吸引力的候选者，因为其开放的层间隙可以容纳离子插入，且其多电子氧化还原化学特性具有高容量潜力[22,23]。大量努力集中在结构工程和界面优化上，以提升可逆性和抑制副反应。然而，两个内在挑战仍难以同时解决[24]。首先，V的电子导电率本质较低₂O₅可能导致电子渗透不完整，电极内电接触不稳定，导致部分活性材料未被充分利用，尤其是在高速运行下[25,26]。第二，重复Zn²⁺插入和提取会诱发晶格呼吸和应力积累，逐渐降低活性颗粒与导电碳的接触，并使导电框架不稳定[27,28]。因此，容量损失和速率迟缓常常源于运输限制和机械中断的结合。尽管掺杂或表面涂层可以改善V的固有性能₂O₅电极级电子传输仍由导电网络决定。它依赖于电子渗透和粒子间电接触在循环过程中的稳定性。因此，导电网络的电极级优化是必要的，以同时缓解电子传输的限制和机械驱动的劣化。
电极通常由活性材料、导电碳添加剂和结合剂组成。尽管导电碳添加剂仅占较小质量分数，但其形成的导电网络可在高速下减轻极化，降低内阻，并促进电解质渗透，从而显著提升功率密度和能量输出[29]。常见的碳添加剂包括0D碳黑，如Ketjen黑和Super P[[30]，[31]，[32]]，以及一维纤维或管状碳，如气生长碳纤维（VGCF）、石墨烯纳米带（GNR）和碳纳米管（碳纳米管）[[33]，[34]，[35]]。一般来说，0D碳依赖点对点接触，且通常需要较大载荷才能实现有效的电子渗透，而1D碳则可以与活性粒子建立线对线互连和线对点接触，实现低碳含量下的连续电子传递路径。此前代表性电极的研究进一步强调了混合导电框架的优势。例如，Huang等人[36]报告称，碳纳米管/CNHs混合添加剂可以通过使用MnO构建更高效的网络架构，增强电子导导并改善速率行为₂AZIB中的阴极。Jeong等人[37]还在分层NCM阴极中证明，仅仅调整Super P与VGCF比值即可显著改变电极导电性和电化学性能，并强调电子和离子分布不均匀可诱发颗粒级机械损伤并加速结构劣化。在钒基AZIB阴极中，导电添加剂通常以较高水平使用，通常约占总电极质量的20 wt%，以补偿有限的电子电导率 [[38]， [39]， [40]， [41]]。然而，提高导电-加性分数必然会降低电化学活性V的质量分数₂O₅，这可以直接降低固定电极配方下的可达容量和能量输出。
在本研究中，我们解耦了分层V中导电网络架构的影响₂O₅通过采用固定电极配方，外部添加10 wt%的导电-添加剂含量用于浆液配方，同时系统性地仅调整Ketjen黑比VGCF的比例。在测试设计中，KV55具有Ketjen黑和VGCF等质量比，形成了一个有效的点线混合电子渗流网络，电极电导率最高达24.65 S cm。⁻¹以及骑行过程中更稳定的电力连接。因此，KV55 提供了提升至 475.8 mAh g 的性能⁻¹在0.2 A g⁻¹并维持250.1 mAh g。⁻¹20安培加力⁻¹并展现出更强的循环稳定性，保持电量为87.8%，容量为341.6毫安时克⁻¹经过4000个周期。这些发现为构建低导电率层状阴极的碳高效导电网络提供了实用指导。