双离子能量存储（DIES）概念已经引起了越来越多的关注。研究人员对设计与石墨阴极结合以组装高能量，高功率DIES器件的高速率伪电容阳极非常感兴趣。α-MoO₃是由沿边[010]通过范德华（vdW）相互作用堆叠的[MoO₆]八面体双层组成。由于其环保性和高的Mo⁶⁺/Mo⁴⁺氧化还原活性，α-MoO₃已被认为是最有前途的阳离子插层材料之一。α-MoO₃中的Li⁺嵌入反应涉及Mo⁶⁺/Mo⁵⁺和Mo⁵⁺/Mo⁴⁺氧化还原对，这使得α-MoO₃有望成为锂离子存储电极，理论容量为1005 C g^-1。同时，锂离子嵌入的电化学势（约2–3 V vs. Li/Li⁺）远低于石墨碳的阴离子嵌入电势（> 4.0 V vs. Li/Li⁺）。因此，α-MoO₃阳极和石墨阴极可以组成DIES器件。然而，α-MoO₃由于低充电/离子输送效率，限制了电化学反应动力学，导致速率能力比较差。近日，德累斯顿工业大学冯新亮联合图卢兹大学Patrice Simon通过在vdW中间层之间掺入H₂O分子（具有扩大的中间层间隙的α-MoO₃表示为e-MoO₃）来加宽α-MoO₃的层间间隙。结合的H₂O分子取代了α-MoO₃的晶格O，并扩大了离子通道的尺寸，用这种方法制备的e-MoO3电极具有很高的比容量，显著改善了电化学反应动力学，并提高了速率性能以及循环寿命。最后，在2 M LiPF6电解质中组装了一个DIES装置，该装置将Li⁺嵌入的e-MoO₃阳极与PF6^-嵌入的石墨阴极组合在一起。利用在阳极和阴极上的快速动力学嵌入/脱嵌过程，组装后的DIES器件可在1.0-3.5 V的电压范围内工作，并具有较宽的放电速率范围（放电时间为25 s至3.5 h） ，并显示出高能量密度和高功率密度。

文章要点：

1）掺入的H₂O分子充当有效的间隔物，以稳定e-MoO₃中扩大的层间间隙，从而提供有效的Li⁺扩散通道并避免在初始锂化过程中e-MoO₃的不可逆相变。其次，H₂O分子可以屏蔽Li⁺与e-MoO₃晶格之间的静电相互作用，从而减轻了重复Li嵌入/脱嵌期间带来的e-MoO₃的体积变化，并提高了e-MoO₃的循环稳定性。由于掺入的H₂O分子取代了晶格O，而且H₂O的分子量非常接近O，因此可以提高e-MoO₃的速率能力和循环稳定性，而没有牺牲比容量。

2）通过将阳离子嵌入e-MoO₃和阴离子嵌入石墨结合而组装了DIES装置。这种装置将插层型电荷存储与快速动力学联系在一起，从而可以实现高功率密度（高达600 W L^-1）和能量密度（高达44 Wh L^-1）。

简而言之，这项研究提供了对改善层状电极材料的离子嵌入化学的层间间隙工程策略，为下一代储能技术打开了机遇的大门。

Yu, M., Shao, H., Wang, G. et al. Interlayer gap widened α-phase molybdenum trioxide as high-rate anodes for dual-ion-intercalation energy storage devices. Nat Commun, 2020 

DOI：10.1038/s41467-020-15216-w

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15216-w