徠卡超薄切片技術助力吉林大學鋅離子電池研究

隨著可再生能源的快速發展，對高效、安全且可持續儲能系統的需求日益迫切。水性電池以其高安全性、高離子電導率和低成本等特點，是當今該領域的研究熱點。其中，在大規模儲能方面，水系鋅離子電池（AZIBs）因其高理論容量、低成本、高安全性等優點被用來構建高度可逆、長壽命的儲能系統（EES）。但是，AZIBs中電極結構的塌陷和離子間的靜電相互作用，限制了其實現長循環壽命。

近日，來自吉林大學的張偉教授課題組，在國際期刊Nano letters上發表題為“Architecting V2O5 with a Triune Crystal Water-Amorphous-Crystalline Feature for Robust Zinc-Ion Batteries"的研究文章。該研究工作利用氧化前驅體VS2，成功制備了具有有序/無序雜化結構的V2O5·1.6H2O（VOH）作為電極材料，有序結構（快速輸運）區和無序結構（緩解應力/體積變化）的結合，有助于維持電極材料結構的穩定性，減輕電極材料中微裂紋的產生和擴散。其中，在HRTEM和STEM的表征中，作者使用徠卡超薄切片機Leica EM UC7，制備出50-80nm的薄片樣品，以確定材料中的原子排布。

圖1 有序/無序雜化結構的V2O5·1.6H2O模型圖及其高儲能能力

透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）和快速傅里葉變換（FFT）顯示，VOH電極呈現出有序區和無序區交錯分布（圖2e）。其中，在有序區可以觀察到間距為1.9?的晶格條紋，對應于（006）晶面。此外，像差校正的高角環形暗場掃描透射電鏡（HAADF-STEM，圖1f）進一步證實了存在序/無序混合特征。其中，有序區1.4 ?的晶格條紋對應于（008）晶面，無序區顯示為無定形衍射（見FFT圖像）。VOH電極中有序區和無序區之間的界面，有助于減少電池循環過程中的體積變化，防止晶格坍塌，保持電極材料的結構完整性。

穩定性測試后，HRTEM圖像顯示出VOH電極中依舊存在有序/無序的混合結構，表面這種結構對于保持結構穩定性至關重要。通過對比第2次和第400次循環后VOH電極的SEM圖像（圖3b）發現，經過400次循環后，VOH電極的形貌與原始形貌保持一致。這表明在長期循環過程中，具有有序/無序雜化結構的VOH電極，可以為Zn2+提供廣泛的擴散通道，從而顯著減輕了Zn2+插入過程中產生的應力，保持了結構的完整性，從而延長循環壽命。TOF-SIMS結果表明，Zn2+不僅停留在VOH電極表面，而且在整個電極中參與電池循環反應。

具有水-非晶-結晶三晶雜化結構的VOH電極，對實現高循環壽命起著至關重要的作用。這種獨TE的結構可以減輕（非）充電過程中有序區域的應力聚集，保持結構完整性，防止任何可能的微裂紋，減少Zn2+與材料之間強烈的靜電相互作用，擴展Zn2+與電極的運輸途徑，促進Zn2+的快速傳輸。得益于上述結構特點，VOH電極在電流密度為0.1A/g時可獲得433.0 mAh/g的高比容量，在電流密度為1 A/g的情況下，在1000次循環中保持95%的容量保持率；在電流密度為2 A/g時，保持53.6%的容量保持率，達到3000次以上的循環壽命。

工作亮點