王勵娟 徠卡顯微系統（上海）貿易有限公司 電鏡制樣應用專家
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。
圖文導讀
圖1 有序/無序雜化結構的V2O5·1.6H2O模型圖及其高儲能能力
圖2 VOH結構表征結果。（a）XRD譜圖，（b）O 1s和 V 2p的XPS譜圖，（c）TGA（EDS元素插圖），（d）拉曼譜圖，（e）TEM圖像，HRTEM圖像和FFT圖像（所選區域已標記），（f）HAADF-STEM圖像（FFT插圖）
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。
圖3 VOH電極的穩定性保存機理。（a）HRTEM和FFT圖像（所選區域已標記），（b）電化學循環后的SEM圖像，（c）Zn、V、O元素的TOF-SIMS結果
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。
小結
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。
在此項研究中，研究人員使用Leica 超薄切片機（Leica EM UC7），對合成的VOH材料進行了50nm~80nm超薄切片制備，以進行透射電鏡成像表征。電鏡形貌表征結果，是解析材料結構，確定構效關系的關鍵數據，樣品制備是獲得良好實驗結果的關鍵，利用徠卡超薄切片機能在短時間內，快速獲得可供透射電鏡觀察的納米級超薄切片，助力新能源電池的研究。
徠卡新一代超薄切片機UC Enuity
Leica EM UC Enuity超薄切片機可進行200nm以上的半薄切片和小于200nm的超薄切片，為光學顯微鏡、透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡提供平整的切片和光滑無應力的切塊。廣泛應用于生命科學和材料科學領域。
圖4 徠卡全新超薄切片機UC Enuity
圖5 徠卡超薄切片機在材料領域的應用案例
文獻作者簡介
張偉，吉林大學唐敖慶學者-教授、電子顯微鏡中心主任、測試科學實驗中心副主任、英國皇JIA化學會會士（FRSC），任Nature出版集團Communications Chemistry執行編委和IOP集團Nano technology顧問編委，科睿唯安“全球高被引科學家榜單"（2023，交叉學科）。獲吉林省自然科學獎二等獎（2024）吉林省自然科學獎一等獎（2020）。2004年于中國科學院金屬研究所獲博士學位，而后在日本NIMS、韓國Samsung、德國馬普學會Fritz-Haber研究所和丹麥技術大學從事獨立或合作研究，已在Nature Cataly、Nature Comunn、Angew Chem Int Ed、JACS、Energy Environ Sci、Acta Mater等國際期刊和National Sci Rev、Sci Bull等國內期刊發表第一/通訊作者論文百余篇，全部論文被引超19000次，H因子73（Clarivate）。主要研究方向為先進材料的電子顯微分析、催化和能源材料的表界面化學。
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