作為鋰電池的有力替代者，鈉離子電池、鉀離子電池、鋅離子電池和鋁離子電池均未找到合適的課上用的電極材料。近日，澳大利亞悉尼科技大學的汪國秀教授和他的團隊通過構建多層復合異質結結構，制備的VOPO4-石墨烯復合材料可同時在多種二次電池中表現出良好電化學性能，并通過原位XRD、DFT計算等對其反應機制進行了表征。相關論文以題為Strainengineeringoftwo-dimensionalmultilayeredheterostructuresforbeyond-lithium-basedrechargeablebatteries在NatureCommunication上發表。

近年來鈉、鉀、鋅、鋁離子電池因為更高的豐度，更低的成本，逐漸成為材料領域研究的熱點。但目前電極材料還遠未達到人們的期望，合適的電極材料至今還在尋找當中。從前驅層狀材料中剝離2D層狀納米片被認為制備新型儲能材料的有效途徑。但這種剝離的層狀結構中相互垂直的納米片很容易在循環過程中引起結構的崩塌。因此，設計出具有層狀異質結結構的材料極有可能有助于提高電極的電化學性能。

本文中，作者依據以上推論，利用改性的石墨烯，設計了VOPO4-石墨烯復合層狀結構。電鏡結果表明該材料內VOPO4和石墨烯互相交替堆疊。通過計算和其他表征手段，證明這種結構可以很好地降低離子（以鉀離子為例）嵌入時的勢壘，并在充放電過程中保持材料的穩定性，使得電極具備良好的電化學性能。當用作鉀離子電池中時，獲得了160mAhg-1的高比容量和570Whkg-1的高能量密度，該材料還可以擴展應用于其他二次電池（Na+電、Zn2+電、Al3+電）中。此外，通過原位XRD和計算，還對其反應機制和零應變進行了分析表征。

總的來說，作者利用剝離的VOPO4和改性的石墨烯，制備出了多層異質結結構的獨特2D結構。這種結構可以有效地保持自身的穩定性，導致電極在多種二次電池中均表現出極高的容量和穩定性。通過大量表征手段和計算模擬，作者對其離子嵌入脫出機制和相應應變過程進行了詳細的分析。這種應變工程思路同時還可以應用于其他的2D電極材料的設計之中。（文：Today）

圖1樣品的制備及離子嵌入脫出過程的示意圖

圖2(a)VOPO42H2O晶體的SEM照片；(b)剝離的VOPO4納米片的TEM照片；(c)剝離的VOPO4納米片的SEM照片；(d)-(h)VOPO4-石墨烯的SEM照片、TEM照片、截面的HRTEM照片、面掃照片和衍射照片；(i)樣品的拉曼圖譜；(j)-(k)VOPO4-石墨烯的統計拉曼光譜圖；(l)樣品的XRD圖在（001）面對應峰的放大圖；(m)樣品的不同層間距示意圖。

圖3VOPO4-石墨烯在鉀離子電池中的原位XRD測試分析和DFT計算分析。

圖4VOPO4-石墨烯在鉀離子電池中的電化學性能測試結果。

圖5(a)-(c)VOPO4-石墨烯在鈉離子電池中的原位XRD測試結果；(d)VOPO4-石墨烯在鈉離子電池中的倍率-循環測試圖；(e)-(f)VOPO4-石墨烯分別在鋅離子電池和鋁離子電池中的循環測試圖。