水系鋅離子電池因其安全環保、鋅資源豐富和理論容量高等優點受到廣泛關註。釩基材料因多價態反應，晶體結構多樣性，理論容量高和成本效益等優勢成為鋅離子電池理想的正極材料之一，但面臨著氧化還原動力學緩慢和釩溶解的問題，導致電池性能快速衰減和失效。因此，合理設計釩基正極材料結構，提高其反應動力學和穩定性，對於提高鋅離子電池的性能至關重要。  

化學科學與工程學院劉明賢教授、甘禮華教授團隊長期致力於高效儲能材料研究並應用於新能源電池開發，課題組近期設計了無機(Al³⁺)-有機(甜菜堿)共插層的V₂O₅正極材料[Al_0.16(C₅H₁₄ON)_0.12]V₂O₅·0.39H₂O（IO-V₂O₅），其中Al³⁺和甜菜堿創建了快速Zn²⁺傳輸通道，甜菜堿中季銨基團與V₂O₅晶格氧結合穩定了層狀結構，羧酸基團削弱了Zn²⁺/V−O相互作用，顯著提高了Zn²⁺的擴散動力學（10⁻⁸~10⁻⁷cm²s⁻¹）和存儲穩定性（20,000次循環後容量保持率為80.1%）。相關研究成果以“Inorganic-Organic Co-intercalated [Al_0.16(C₅H₁₄ON)_0.12]V₂O₅·0.39H₂O Cathode for High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries”為題在線發表於國際化學/材料領域著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。 

實驗表征表明，Al³⁺插入將V₂O₅層間距拓展至13.7 Å，暴露出更多的氧化還原位點；甜菜堿中帶正電的季銨基團與V₂O₅晶格氧結合提高了層間穩定性，帶負電荷的羧酸基團削弱了Zn²⁺/V−O相互作用，有助於提高Zn²⁺擴散動力學和穩定性。                   

電化學研究表明，Zn||IO-V₂O₅電池表現出高比容量（549.5 mAh g⁻¹@0.2 A g⁻¹）、長循環壽命（20,000次循環後容量保持率為80.1%）和優異的能量密度（416.3 Wh kg⁻¹）。         

動力學分析表明，IO-V₂O₅正極實現了高Zn²⁺擴散系數（10⁻⁸~10⁻⁷），表明Al³⁺和甜菜堿協同作用有效削弱了Zn²⁺和V−O鍵之間的靜電相互作用，提高了其反應動力學。

異位光譜研究表明，由於Al³⁺和甜菜堿的協同作用，IO-V₂O₅正極展現出高度可逆的Zn²⁺/H⁺存儲過程。這項研究工作為設計用於先進水系鋅離子電池的無機-有機共插釩基正極材料提供了新思路。

化學科學與工程學院博士生郭康為論文第一作者，宋子洋博士後，甘禮華教授和劉明賢教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委、上海市科委和中國博士後科學基金會資助。

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202506036