王励娟 徕卡显微系统（上海）贸易有限公司 电镜制样应用专家
随着可再生能源的快速发展，对高效、安全且可持续储能系统的需求日益迫切。水性电池以其高安全性、高离子电导率和低成本等特点，是当今该领域的研究热点。其中，在大规模储能方面，水系锌离子电池（AZIBs）因其高理论容量、低成本、高安全性等优点被用来构建高度可逆、长寿命的储能系统（EES）。但是，AZIBs中电极结构的塌陷和离子间的静电相互作用，限制了其实现长循环寿命。
近日，来自吉林大学的张伟教授课题组，在国际期刊Nano letters上发表题为“Architecting V2O5 with a Triune Crystal Water-Amorphous-Crystalline Feature for Robust Zinc-Ion Batteries”的研究文章。该研究工作利用氧化前驱体VS2，成功制备了具有有序/无序杂化结构的V2O5·1.6H2O（VOH）作为电极材料，有序结构（快速输运）区和无序结构（缓解应力/体积变化）的结合，有助于维持电极材料结构的稳定性，减轻电极材料中微裂纹的产生和扩散。其中，在HRTEM和STEM的表征中，作者使用徕卡超薄切片机Leica EM UC7，制备出50-80nm的薄片样品，以确定材料中的原子排布。
图文导读
图1 有序/无序杂化结构的V2O5·1.6H2O模型图及其高储能能力
图2 VOH结构表征结果。（a）XRD谱图，（b）O 1s和 V 2p的XPS谱图，（c）TGA（EDS元素插图），（d）拉曼谱图，（e）TEM图像，HRTEM图像和FFT图像（所选区域已标记），（f）HAADF-STEM图像（FFT插图）
透射电子显微镜（TEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和快速傅里叶变换（FFT）显示，VOH电极呈现出有序区和无序区交错分布（图2e）。其中，在有序区可以观察到间距为1.9Å的晶格条纹，对应于（006）晶面。此外，像差校正的高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM，图1f）进一步证实了存在序/无序混合特征。其中，有序区1.4 Å的晶格条纹对应于（008）晶面，无序区显示为无定形衍射（见FFT图像）。VOH电极中有序区和无序区之间的界面，有助于减少电池循环过程中的体积变化，防止晶格坍塌，保持电极材料的结构完整性。
图3 VOH电极的稳定性保存机理。（a）HRTEM和FFT图像（所选区域已标记），（b）电化学循环后的SEM图像，（c）Zn、V、O元素的TOF-SIMS结果
稳定性测试后，HRTEM图像显示出VOH电极中依旧存在有序/无序的混合结构，表面这种结构对于保持结构稳定性至关重要。通过对比第2次和第400次循环后VOH电极的SEM图像（图3b）发现，经过400次循环后，VOH电极的形貌与原始形貌保持一致。这表明在长期循环过程中，具有有序/无序杂化结构的VOH电极，可以为Zn2+提供广泛的扩散通道，从而显著减轻了Zn2+插入过程中产生的应力，保持了结构的完整性，从而延长循环寿命。TOF-SIMS结果表明，Zn2+不仅停留在VOH电极表面，而且在整个电极中参与电池循环反应。
小结
具有水-非晶-结晶三晶杂化结构的VOH电极，对实现高循环寿命起着至关重要的作用。这种独TE的结构可以减轻（非）充电过程中有序区域的应力聚集，保持结构完整性，防止任何可能的微裂纹，减少Zn2+与材料之间强烈的静电相互作用，扩展Zn2+与电极的运输途径，促进Zn2+的快速传输。得益于上述结构特点，VOH电极在电流密度为0.1A/g时可获得433.0 mAh/g的高比容量，在电流密度为1 A/g的情况下，在1000次循环中保持95%的容量保持率；在电流密度为2 A/g时，保持53.6%的容量保持率，达到3000次以上的循环寿命。
在此项研究中，研究人员使用Leica 超薄切片机（Leica EM UC7），对合成的VOH材料进行了50nm~80nm超薄切片制备，以进行透射电镜成像表征。电镜形貌表征结果，是解析材料结构，确定构效关系的关键数据，样品制备是获得良好实验结果的关键，利用徕卡超薄切片机能在短时间内，快速获得可供透射电镜观察的纳米级超薄切片，助力新能源电池的研究。
徕卡新一代超薄切片机UC Enuity
Leica EM UC Enuity超薄切片机可进行200nm以上的半薄切片和小于200nm的超薄切片，为光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜提供平整的切片和光滑无应力的切块。广泛应用于生命科学和材料科学领域。
图4 徕卡全新超薄切片机UC Enuity
图5 徕卡超薄切片机在材料领域的应用案例
文献作者简介
张伟，吉林大学唐敖庆学者-教授、电子显微镜中心主任、测试科学实验中心副主任、英国皇JIA化学会会士（FRSC），任Nature出版集团Communications Chemistry执行编委和IOP集团Nano technology顾问编委，科睿唯安“全球高被引科学家榜单”（2023，交叉学科）。获吉林省自然科学奖二等奖（2024）吉林省自然科学奖一等奖（2020）。2004年于中国科学院金属研究所获博士学位，而后在日本NIMS、韩国Samsung、德国马普学会Fritz-Haber研究所和丹麦技术大学从事独立或合作研究，已在Nature Cataly、Nature Comunn、Angew Chem Int Ed、JACS、Energy Environ Sci、Acta Mater等国际期刊和National Sci Rev、Sci Bull等国内期刊发表第一/通讯作者论文百余篇，全部论文被引超19000次，H因子73（Clarivate）。主要研究方向为先进材料的电子显微分析、催化和能源材料的表界面化学。
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