DOI: 10.1016/j.ensm.2022.06.027

梯度材料由于梯度成分分布赋予其在特定工作条件下优异的环境适应性而受到广泛关注。然而，连续梯度材料的通用、精确可控合成仍然是一项挑战。在此，通过将动态浓度调节方法与静电纺丝技术相结合，开发了一种制备具有不同组分和梯度分布的连续梯度复合膜（GCFs）的通用策略。可以准确调节这类GCFs中的梯度成分分布。此外，能够以可控的梯度取向将多种功能材料分别或同时引入到连续梯度复合薄膜中。作为概念验证，研究者制备了含VO纳米粒子的GCFs，并将其用作水系锌离子电池的正极。电极内梯度成分分布和电子/离子传输的匹配有助于确保超高容量和优异的倍率性能。该策略的通用性和易用性使其成为设计具有所需组件和梯度分布的连续GCFs的有希望的途径，以实现连续梯度复合膜的多领域潜在应用价值。

图1.GCFs的制备。（a）GCFs的制备示意图。（b）含有和不含PAN的梯度VOC2O4溶液中前体分布的示意图。（c）含有和不含PAN的梯度VOC2O4溶液在不同时间的光学图像。参数（d）A（0）、（e）v1和（f）v2对梯度溶液浓度分布的依赖性。

图2.GCFs的特征。（a）梯度VOC2O4前体膜和（b）VO-GCFs的光学图像。（c）XRD图谱比较。（d）浓度分布曲线（插图显示VO-GCFs的横截面SEM图像）。（e）均质复合膜和VO-GCFs不同区域选定样品层的XPS全光谱和（f）V2p光谱。（g）均质溶液和梯度溶液在不同分布范围内的浓度分布曲线（插图为薄膜的成分含量）。（h）均质复合膜和具有不同VO梯度分布的GCFs的应力-应变曲线。（i）不同VO含量的复合薄膜的电导率。

图3.VO-GCFs的形貌表征。复合纳米纤维（a）底部、（b）中部和（c）顶部区域的SEM、TEM和TEM元素映射图像。

图4.单添加剂和多添加剂GCFs的制备和形貌表征。使用（a）单一添加剂、（b）两种添加剂、（c）三种添加剂以及（d）具有逆成分分布的两种添加剂制备梯度前体薄膜的示意图。（e）Co-GCFs、（f）Fe3O4/Co-GCFs、（g）VO/Fe3O4/Co-GCFs和（h）梯度成分分布方向相反的Fe3O4/Co-GCFs中底部、中部和顶部区域的复合纳米纤维的SEM和TEM图像。

图5.基于梯度上升、均质和梯度下降VO基正极的ZIBs的电化学性能。（a）基于梯度上升正极的ZIBs的示意图。（b）1.0mV/s时的CV曲线。（c）2.0A/g时的GCD曲线。（d）倍率性能。（e）5A/g下的循环性能。

图6.基于梯度上升、均质和梯度下降VO基正极的ZIBs的动力学表征。（a）梯度上升和均质正极中Zn2+离子、电子和活性材料分布的示意图。（b）正极内的Zn2+离子和电子电流密度分布曲线。（c）正极内电解质相中归一化的Zn2+离子浓度分布曲线。（d）log（峰值电流）与log（扫描速率）的关系图。（e）不同扫描速率下的电容贡献。（f）梯度上升正极的GITT曲线。（g）放电过程中的Zn2+离子扩散系数。（h）EIS曲线。