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        徠卡超薄切片技術(shù)助力吉林大學(xué)鋅離子電池研究

        更新時(shí)間:2025-01-02      點(diǎn)擊次數(shù):286
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        王勵娟 徠卡顯微系統(tǒng)(上海)貿(mào)易有限公司 電鏡制樣應(yīng)用專家

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        研究背景

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        隨著可再生能源的快速發(fā)展,對高效、安全且可持續(xù)儲能系統(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。




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        文章簡介

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        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。

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        圖文導(dǎo)讀

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        圖1 有序/無序雜化結(jié)構(gòu)的V2O5·1.6H2O模型圖及其高儲能能力

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        圖2 VOH結(jié)構(gòu)表征結(jié)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(qū)域已標(biāo)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(xiàn)出有序區(qū)和無序區(qū)交錯分布(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。

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        圖3 VOH電極的穩(wěn)定性保存機(jī)理。(a)HRTEM和FFT圖像(所選區(qū)域已標(biāo)記),(b)電化學(xué)循環(huán)后的SEM圖像,(c)Zn、V、O元素的TOF-SIMS結(jié)果

        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)對于保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過對比第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)。




        小結(jié)

        具有水-非晶-結(jié)晶三晶雜化結(jié)構(gòu)的VOH電極,對實(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。




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        工作亮點(diǎn)

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        在此項(xiàng)研究中,研究人員使用Leica 超薄切片機(jī)(Leica EM UC7),對合成的VOH材料進(jìn)行了50nm~80nm超薄切片制備,以進(jìn)行透射電鏡成像表征。電鏡形貌表征結(jié)果,是解析材料結(jié)構(gòu),確定構(gòu)效關(guān)系的關(guān)鍵數(shù)據(jù),樣品制備是獲得良好實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵,利用徠卡超薄切片機(jī)能在短時(shí)間內(nèi),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。


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        徠卡新一代超薄切片機(jī)UC Enuity



        Leica EM UC Enuity超薄切片機(jī)可進(jìn)行200nm以上的半薄切片和小于200nm的超薄切片,為光學(xué)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(yīng)力的切塊。廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)材料科學(xué)領(lǐng)域。


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        圖4 徠卡全新超薄切片機(jī)UC Enuity

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        圖5 徠卡超薄切片機(jī)在材料領(lǐng)域的應(yīng)用案例

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        文獻(xiàn)作者簡介



        張偉,吉林大學(xué)唐敖慶學(xué)者-教授、電子顯微鏡中心主任、測試科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心副主任、英國皇JIA化學(xué)會會士(FRSC),任Nature出版集團(tuán)Communications Chemistry執(zhí)行編委和IOP集團(tuán)Nano technology顧問編委,科睿唯安“全球高被引科學(xué)家榜單"(2023,交叉學(xué)科)。獲吉林省自然科學(xué)獎二等獎(2024)吉林省自然科學(xué)獎一等獎(2020)。2004年于中國科學(xué)院金屬研究所獲博士學(xué)位,而后在日本NIMS、韓國Samsung、德國馬普學(xué)會Fritz-Haber研究所和丹麥技術(shù)大學(xué)從事獨(dú)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(nèi)期刊發(fā)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?yàn)橄冗M(jìn)材料的電子顯微分析、催化和能源材料的表界面化學(xué)。



        相關(guān)產(chǎn)品

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        UC Enuity超薄切片機(jī)




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