随着能源危机与环境问题的加剧，绿色环保的清洁能源存储设备已经成为了当前科学研究的重点领域之一。在目前的储能领域研究中，锂离子电池仍是人们最主要研究对象。然而，贫乏的金属锂资源与锂离子电池本身潜在的安全问题仍是遏制其发展的瓶颈。相比之下，可充水系锌离子电池因其高理论比容量、低成本、丰富的储量以及环保等特点，被认为是最有可能替代锂离子电池的材料。在水系锌离子电池体系中，主流的正极材料一般为钒（V）氧化物，这是由于其存在价格低廉、储量丰富、高比容量等优点。但是，V氧化物正极相对较差的循环稳定性一直是制约其发展的关键问题。目前，缺陷调控被人们认为是一种对电池活性材料进行改性以提高电极循环稳定性的有效策略。然而，由于电池工作过程中的材料结构演变和载流子的快速输运行为，精确量化研究电极材料中的缺陷对电池储能性能的影响是非常困难的。
图 a：含钒缺陷团簇V2O3(Vd-V2O3)和商业V2O3(c-V2O3)的V的K 边的归一化 XANES光谱；b：Vd-V2O3的中子粉末衍射图谱（上）和X射线衍射图谱（下）；c：Vd-V2O3沿c轴的结构示意图。
针对以上问题，中科大国家同步辐射实验室宋礼教授团队与中科院物理所何伦华研究员合作，结合中国散裂中子源的中子粉末衍射和同步辐射X射线粉末衍射技术的优势，利用中子和X射线对轻元素氧原子以及金属钒原子的敏感性的差异，同步实现了V2O3晶格的钒缺陷团簇（5.7%）中氧空位和金属空位的精确量化（图1）。通过正电子湮没寿命谱和同步辐射谱学分析，进一步证实了钒缺陷团簇的存在。测量结果显示，当含有钒缺陷的V2O3材料作为水系纽扣锌电池阴极活性材料时，在5 A g-1下循环30,000圈后，容量保持率达到81%。基于实验结构模型的密度泛函计算表明，钒缺陷团簇可以为锌离子在V2O3中的可逆存储提供有利位置，并且能够减弱宿主材料和多价离子之间的静电相互作用，从而实现超长的循环稳定性。相关研究成果以“长循环水系锌电池V2O3阴极的缺陷工程（Defect engineering on V2O3 cathode for long-cycling aqueous zinc metal batteries”为题，于2021年11月25日在《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表。
这项工作充分发挥了散裂中子源和同步辐射光源两大科学装置的优势互补，突破了氧空位和金属空位同步精确量化的难点，不仅对储能材料中缺陷及其影响机制研究具有重要意义，而且为设计具有超长稳定性的水系锌电池电极材料提供了新的思路。
该论文得到了科技部重点研发计划（2020YFA0405800）、国家自然科学基金（U1932201, U2032113, 22075264）、中国科学院国际伙伴计划和合肥大科学中心协同创新（2019HSC-CIP002, 2020HSC-CIP002）、中科大统筹推进世界一流大学和一流学科建设专项资金等项目的支持，感谢合肥光源、北京光源和上海光源的支持。
