吉林大学郑伟涛教授团队张伟教授：有序-无序-结晶水三位一体构筑高性能水系锌离子电池

第一作者：赵真真，刘淼

通讯作者：张伟*

单位：吉林大学

水系锌离子电池（AZIBs）由于其固有的高安全性，低成本和环境友好性而备受关注。V₂O₅因其具有较大层间距、高理论容量、低成本等特点，被认为是最具应用前景的正极材料之一。然而，较大的体积变化、结构不稳定、缓慢动力学等不仅限制了Zn²⁺快速扩散，还会导致长期循环过程中结构的坍塌和剥落，限制了长循环寿命的达成。因此，构建兼具较大层间距、快速离子扩散、长期结构稳定性的正极材料至关重要。

近日，吉林大学郑伟涛教授团队张伟教授，在国际知名期刊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。无序结构因其具有各向同性、丰富的活性位点、良好的结构柔韧性等特点引发广泛关注，但其热不稳定性限制了进一步应用。晶体结构的有序性可促使工作离子快速传输，但较大的体积变化阻碍了其发展。因此，将有序-无序结构结合，不仅可以提升长期结构稳定性，还可以有效释放离子嵌入/脱出造成的体积变化，同时，结晶水的引入进一步扩大了层间距，助力Zn²⁺快速传输。文章通过有序-无序-结晶水三位一体的材料结构设计，结合球差校正透射电子显微镜（AC-TEM）、飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）等详细分析了晶体结构、储能机制以及长期循环稳定性机制。可实现2 A g^-1电流密度下227.8 mAh g^-1的放电容量以及1 A g^-1下1000次循环后95%的容量保持率。

通过有序-无序-结晶水三位一体的结构设计，可有效防止离子嵌入/脱出造成的体积变化和微裂纹的产生，提高扩散动力学。有序区域和无序区域之间的界面有助于减少体积变化并防止后续过程中晶格坍塌，从而保持电极材料的结构完整性。此外，结晶水含量过高/过低会导致离子在较多的层间水分子中传输受阻和静电相互作用较强，合适的层间水不仅可作为层间支柱增强结构稳定性、扩大层间距，还有助于作为电荷屏蔽层减少Zn²⁺和电极之间的静电引力。因此，这种独特的结构设计不仅有助于提高AZIBs的循环寿命，还为构建高比容量和长期结构稳定性的钒基正极材料提供了一种创新的结构设计策略。

Architecting V₂O₅ with a Triune Crystal Water–Amorphous–Crystalline Feature for Robust Zinc-Ion Batteries

张伟，教授，吉林大学材料科学与工程学院唐敖庆学者-领军教授、电子显微镜中心主任、测试科学实验中心副主任、英国皇家化学会会士，任Nature出版集团Communications Chemistry执行编委和IOP集团Nanotechnology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、丹麦技术大学和西班牙CIC Energigune从事独立或合作研究，已在Angew Chem Int Ed、JACS、Energy Environ Sci、NSR、Acta Mater、Nano Lett等权威期刊期刊发表第一/通讯作者论文百余篇，全部论文被引超17000次，H因子71（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。