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開發(fā)綠色、環(huán)保、清潔的新能源及以此為基的新的能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為21世紀(jì)備受矚目的焦點與熱點，而在此新源結(jié)構(gòu)中儲能則扮演著至關(guān)重要的角色。在各種儲能技術(shù)中，鋰離子電池（Li-ion battery, LIBs）和鈉離子電池（Na-ion battery, NIBs）被認(rèn)為是兩種極具潛力的儲能技術(shù)，其中LIBs由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電小、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子設(shè)備中，更被認(rèn)為是近年來迅速崛起的電動汽車儲能系統(tǒng)的最佳解決方案。而NIBs則由于資源廣泛、成本低廉等優(yōu)勢，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域中具有極大的前景。然而，隨著這些新應(yīng)用的快速發(fā)展，它們也對LIBs和NIBs提出了更高的要求，如更高的能量和功率密度、更長的循環(huán)壽命、更低的成本等，而開發(fā)更為先進的電極材料則是實現(xiàn)上述目標(biāo)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。作為一種典型的層狀晶體結(jié)構(gòu)材料，釩氧化物由于具有放電比容量大、能量密度高、儲量豐富、成本低廉等優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種非常具有競爭力的下一代先進儲能材料。釩氧化物可被分為氧化釩（如V2O5, V6O13, V3O7·H2O, VO2 (B), V2O3等）和釩酸鹽（如Li3VO4, NaVO2, NaV2O5等），并且已被廣泛應(yīng)用于LIBs和NIBs中。
納米材料具有比表面積大、離子傳輸路徑短等優(yōu)勢，各種低維納米結(jié)構(gòu)電極材料（如納米顆粒、納米線、納米管、納米片等）已經(jīng)被成功合成，并展現(xiàn)出了顯著提高的比容量和倍率性能。但是，最近研究發(fā)現(xiàn)低維納米材料由于具有高表面能和高活性，會容易在循環(huán)過程中發(fā)生自團聚，從而失去納米材料的優(yōu)勢，并會導(dǎo)致電極膜粉化，最終影響循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。因此，如何同時保留納米材料的優(yōu)勢并克服它的不足是一項巨大的挑戰(zhàn)。
近日，劉鵬程博士（廣州大學(xué)機電學(xué)院&南航材料學(xué)院）和朱孔軍教授（南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室）以從低維納米結(jié)構(gòu)合成到3D微-納結(jié)構(gòu)及自支撐電極加工的獨特角度，系統(tǒng)地綜述了釩氧化物在LIBs和NIBs等應(yīng)用中的研究進展、所面臨的問題和未來發(fā)展趨勢。構(gòu)建3D微-納結(jié)構(gòu)電極材料和自支撐電極被認(rèn)為是非常有效的解決低維納米材料自團聚問題的途徑，并且已在一些電極材料中得到了很好的應(yīng)用，也已經(jīng)成為當(dāng)前儲能應(yīng)用中的一個研究熱點。微-納結(jié)構(gòu)是指小的納米尺度結(jié)構(gòu)單元通過有序組裝構(gòu)成的新的微米尺度二次結(jié)構(gòu)，它不但可使納米材料的優(yōu)勢得以保留，更由于協(xié)同效應(yīng)同時具有了微米材料的優(yōu)勢，從而微-納結(jié)構(gòu)不但具有更大的比表面積和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，更可以有效避免低維納米材料的自團聚、提高振實密度。制備自支撐電極（利用或不利用基底）也是一種非常有效的避免低維納米材料自團聚的方法，并且由于不必再外加粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、集流體等惰性物質(zhì)，從而可以顯著提高電化學(xué)性能（如能量密度）。同時，基于自支撐電極的儲能系統(tǒng)也是發(fā)展柔性、可穿戴器件和設(shè)備的關(guān)鍵。
此外，他們提出了一種簡單、有效的策略以實現(xiàn)全體系釩氧化物3D微-納結(jié)構(gòu)的可控制備。更為重要的是，他們還提出了一種實現(xiàn)氧化釩正極材料實際商業(yè)化應(yīng)用的解決方法，即構(gòu)筑“氧化釩基正極/固體電解質(zhì)/鋰金屬負(fù)極”型全固態(tài)二次離子電池。他們的工作為釩氧化物在儲能應(yīng)用中的研究提供了深刻的思考和新的研究方向，有助于加速其在基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用中的進一步發(fā)展。
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