后“锂离子电池”时代，新型多价属离子电池作为可持续性储能技术的潜在选择，在近年来得到了一定的研究关注。虽然多价载流子在电化学反应过程中，能够实现更多的电子转移过程，但是其与宿主之间更强的静电相互作用，会导致迟缓的扩散动力学过程，从而在电化学性能方面表现出局限性。
针对上述挑战，《国家科学评论》（National Science Review， NSR）近期发表的一项研究以水合焦钒酸盐宿主为研究对象，首次制备出不同比例的Cu/Zn固溶相宿主，该宿主层状晶体结构与丰富的层间限域物种（H2O与-OH），为载流子的扩散提供了有利的扩散路径，同时活性Cu的引入进一步激活了氧化还原反应活性，从而使其在有机电解液体系中表现出了良好的可逆钙离子存储能力。东北师范大学曹峻鸣副教授为该论文第一作者，中国科学院长春应用化学研究所李凯研究员，东北师范大学吴兴隆教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助、吉林省科技厅人才专项、吉林省发改委和国家香江学者计划项目资助。
设计思路
固溶设计思路与基本表征
理论模拟
结合第一性原理计算，首先分析了晶格水的存在对载流子扩散势垒的影响，并提炼相应的线性关系，表明晶格水的存在对载流子的扩散具有至关重要的作用。其次，进一步探究了固溶取代对层间晶格水的固定作用，即“铜”“锌”锁水的本质原因。最终，结合材料电子态密度计算，探究固溶取代对焦钒酸盐本征电子电导率提升的作用机制。（如下图）
理论模拟结果与机理示意图
实验验证
电化学性能评估