当手机一天充三次电、新能源汽车续航焦虑成为常态，高容量、长寿命的电池技术成为行业“刚需”。我国济南大学、上海交通大学团队最新研究显示，通过甲酰胺（FA）分子插层改性钒基磷酸盐（VOPO₄），开发出的FA-VOPO₄纳米片阴极材料，在高负载下体积容量达到733 mAh/cm³，是传统材料的8倍，且循环1000次后容量保持率仍达82.1%。这项发表在《Frontiers of Energy》的成果，为水系锌离子电池（AZIBs）在电网储能、便携式电子设备中的应用扫清关键障碍。

安全又便宜的“水系电池”，为何难成主流？

作为下一代储能新星，水系锌离子电池以“天生安全”著称——用水溶液作电解液，避免传统锂电池的燃爆风险，且锌资源丰富、成本仅为锂的1/20。理论上，其体积容量可达5851 mAh/cm³，远超锂电池。但实际应用中， cathode（正极）材料却成了“绊脚石”。

传统钒基 cathode 材料如VOPO₄·2H₂O，虽有较高容量，但层间距窄（7.4 Å），锌离子（Zn²⁺）在其中移动如同“在小巷里挤地铁”，扩散慢、阻力大。尤其在高负载（电极厚度增加）时，离子传输路径更长，导致容量骤降、结构易崩塌。数据显示，传统材料在10 mg/cm²负载下循环数百次后，容量会衰减过半。

“分子润滑剂”拓宽离子通道，稳定性提升8倍

研究团队另辟蹊径：用甲酰胺（FA）分子替换VOPO₄层间的部分水分子。这种看似简单的“分子替换”，带来了三重突破：

• 拓宽“离子高速公路”：FA分子插入后，层间距从7.4 Å扩大到9.3 Å（相当于把单车道拓宽为双向四车道），Zn²⁺扩散阻力降低，扩散系数提升10倍；
• 构建“氢键稳定网”：FA分子与残留水分子形成协同氢键，如同给晶体结构“打上钢筋”，避免循环过程中的层间坍塌；
• 降低“离子粘性”：FA的高给电子数（DN值）特性，减弱对Zn²⁺的束缚，让离子移动更“顺滑”，解决了传统材料中水分子导致的“离子卡顿”问题。

高负载下性能“逆天”：手机电池或能薄如信用卡

实验数据显示，FA-VOPO₄阴极材料展现出惊人性能：

• 容量“跃升”：在40 mA/g电流下，体积容量达733 mAh/cm³，是VOPO₄·2H₂O（83 mAh/cm³）的8.8倍；
• 高负载“扛打”：当负载提升到20 mg/cm²（接近商用电池厚度），仍保持535 mAh/cm³容量，满足3-5 mAh/cm²的商用标准；
• 寿命“持久”：10 mg/cm²负载下，1 A/g电流循环1000次后容量保持率82.1%，库伦效率（充放电效率）高达99.95%，而传统材料循环784次后容量仅剩31.9%。

从电网储能到智能手表：安全电池离我们还有多远？

这项研究为水系锌离子电池的实用化提供了新思路。其高体积容量意味着未来手机电池可能薄如信用卡却续航翻倍，电网储能系统可在安全前提下提升能量密度。研究团队表示，下一步将优化材料制备工艺，降低成本，推动产业化应用。

来源: FIE能源前沿期刊