徠卡超薄切片技術(shù)助力吉林大學(xué)鋅離子電池研究

隨著可再生能源的快速發(fā)展，對(duì)高效、安全且可持續(xù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求日益迫切。水性電池以其高安全性、高離子電導(dǎo)率和低成本等特點(diǎn)，是當(dāng)今該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，在大規(guī)模儲(chǔ)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(yōu)點(diǎn)被用來構(gòu)建高度可逆、長壽命的儲(chǔ)能系統(tǒng)（EES）。但是，AZIBs中電極結(jié)構(gòu)的塌陷和離子間的靜電相互作用，限制了其實(shí)現(xiàn)長循環(huán)壽命。

近日，來自吉林大學(xué)的張偉教授課題組，在國際期刊Nano letters上發(fā)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(qū)體VS2，成功制備了具有有序/無序雜化結(jié)構(gòu)的V2O5·1.6H2O（VOH）作為電極材料，有序結(jié)構(gòu)（快速輸運(yùn)）區(qū)和無序結(jié)構(gòu)（緩解應(yīng)力/體積變化）的結(jié)合，有助于維持電極材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減輕電極材料中微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)散。其中，在HRTEM和STEM的表征中，作者使用徠卡超薄切片機(jī)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(jié)構(gòu)的V2O5·1.6H2O模型圖及其高儲(chǔ)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(xiàn)出有序區(qū)和無序區(qū)交錯(cuò)分布（圖2e）。其中，在有序區(qū)可以觀察到間距為1.9?的晶格條紋，對(duì)應(yīng)于（006）晶面。此外，像差校正的高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡（HAADF-STEM，圖1f）進(jìn)一步證實(shí)了存在序/無序混合特征。其中，有序區(qū)1.4 ?的晶格條紋對(duì)應(yīng)于（008）晶面，無序區(qū)顯示為無定形衍射（見FFT圖像）。VOH電極中有序區(qū)和無序區(qū)之間的界面，有助于減少電池循環(huán)過程中的體積變化，防止晶格坍塌，保持電極材料的結(jié)構(gòu)完整性。

穩(wěn)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(jié)構(gòu)，表面這種結(jié)構(gòu)對(duì)于保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過對(duì)比第2次和第400次循環(huán)后VOH電極的SEM圖像（圖3b）發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過400次循環(huán)后，VOH電極的形貌與原始形貌保持一致。這表明在長期循環(huán)過程中，具有有序/無序雜化結(jié)構(gòu)的VOH電極，可以為Zn2+提供廣泛的擴(kuò)散通道，從而顯著減輕了Zn2+插入過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，保持了結(jié)構(gòu)的完整性，從而延長循環(huán)壽命。TOF-SIMS結(jié)果表明，Zn2+不僅停留在VOH電極表面，而且在整個(gè)電極中參與電池循環(huán)反應(yīng)。

具有水-非晶-結(jié)晶三晶雜化結(jié)構(gòu)的VOH電極，對(duì)實(shí)現(xiàn)高循環(huán)壽命起著至關(guān)重要的作用。這種獨(dú)TE的結(jié)構(gòu)可以減輕（非）充電過程中有序區(qū)域的應(yīng)力聚集，保持結(jié)構(gòu)完整性，防止任何可能的微裂紋，減少Zn2+與材料之間強(qiáng)烈的靜電相互作用，擴(kuò)展Zn2+與電極的運(yùn)輸途徑，促進(jìn)Zn2+的快速傳輸。得益于上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，VOH電極在電流密度為0.1A/g時(shí)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(huán)中保持95%的容量保持率；在電流密度為2 A/g時(shí)，保持53.6%的容量保持率，達(dá)到3000次以上的循環(huán)壽命。

工作亮點(diǎn)