由于金屬鋅具有高容量，可以作為陽極并使用不可燃水溶液作為電解質，水系鋅離子可充電電池在過去幾年引起了廣泛的關注。特別是，最近的研究表明，以V2O5和其他釩基氧化物作為正極材料，在水鋅離子電池中可以實現(xiàn)超過300 mAh g-1容量和數(shù)千次循環(huán)。盡管釩氧化物具有顯著的電化學性能，特別是在大規(guī)模應用中，但對鋅的插層行為以及水環(huán)境下釩氧化物高容量和可逆性的來源仍然嚴重缺乏深入的了解，而大量的報道關注循環(huán)性能。
當陽離子被電化學地插入其晶格時，初始晶相可以轉變成另一種晶相。因此，在原子水平上精確地識別相變過程中的相演化是全面理解陽離子插入行為的第一步，并隨后在可充電電池中獲得更高的存儲容量，盡管有時這是具有挑戰(zhàn)性的。
韓國科學技術高級研究院Sung-Yoon Chung和國立首爾大學Jang Wook Choi在Nature Communications上發(fā)文，利用原位透射顯微鏡來實時觀察陽離子嵌入主體材料。
通過大量使用原子柱分辨掃描透射電子顯微鏡，作者直接可視化了在水系電解液中，放電時，V2O5中同時插入了水和鋅。特別是，當Zn進一步插入時，多個中間相在原子尺度上清晰地成像，顯示了相之間的結構拓撲相關性，而這些中間相無法用宏觀粉末衍射方法識別。本研究的結果表明，在水充電池中，氧化物陰極的高容量與平滑的多相演化和低的過渡勢壘有顯著的關系，在充/放電過程中容易的多相轉變可能是水系電池中獲得高容量和高可逆正極材料的重要條件，一般來說，放電陰極的晶體結構與初始結晶狀態(tài)完全不同。
圖4. 兩個投影中的STEM圖像來可視化存在的H2O
Byeon, P., Hong, Y., Bae, H.B. et al. Atomic-scale unveiling of multiphase evolution during hydrated Zn-ion insertion in vanadium oxide. Nat Commun 12, 4599 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-24700-w
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