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鋰金屬電池的界面行為的觀測(cè)

鉅大鋰電  |  點(diǎn)擊量:0  |  2019年01月22日  

近日,康奈爾大學(xué)的LenaF.Kourkoutis(通訊作者)課題組采用冷凍電鏡技術(shù)觀察到了鋰金屬電池中界面膜和枝晶的納米級(jí)結(jié)構(gòu)并以此全面深入地理解了發(fā)生在該界面的化學(xué)過(guò)程。

固體-液體界面在許多化學(xué)、物理和生物過(guò)程中扮演著至關(guān)重要的角色,但由于缺少可同時(shí)對(duì)固體和液體組分適用的高分辨表征手段,至今仍然阻礙著科研人員對(duì)這一界面進(jìn)行全面深入的研究。例如在鋰金屬的枝狀沉積和固體-電解質(zhì)界面膜(SEI)的形成是影響鋰金屬電池性能和安全的決定性因素,然而直接觀測(cè)這些界面卻存在很大的難度,致使圍繞界面行為展開(kāi)的研究一直是人們爭(zhēng)論的熱點(diǎn)。

該研究通過(guò)快速冷凍液體成分(玻璃化液體電解質(zhì)),獲得了自然狀態(tài)下鋰金屬電池中的界面膜結(jié)構(gòu),之后再利用冷凍掃描透射電鏡技術(shù)(cryo-STEM)可對(duì)這些界面進(jìn)行結(jié)構(gòu)和化學(xué)圖譜(mapping)表征。實(shí)驗(yàn)表征結(jié)果發(fā)現(xiàn),在鋰金屬電池負(fù)極共存著兩種不同類型的枝狀物,其中一種擁有外延的SEI層,而另一種枝狀物則由鋰的氫化物組成,這一不同枝狀物的共存現(xiàn)象可能為電池容量減少的機(jī)理解釋提供有力的證據(jù)支持。該文也闡明了冷凍電鏡技術(shù)在探測(cè)功能器件界面過(guò)程的研究中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。2018年8月15日,相關(guān)成果以題為“Cryo-STEMmappingofsolid–liquidinterfacesanddendritesinlithium-metalbatteries”的文章在線發(fā)表在Nature上。

冷凍電鏡又貢獻(xiàn)一篇nature 直接觀測(cè)鋰金屬電池的界面行為

圖1通過(guò)冷凍聚焦離子束(cryo-FIB)對(duì)枝狀物進(jìn)行形貌表征

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圖2枝狀物及其界面層的結(jié)構(gòu)和元素構(gòu)成

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圖3枝狀物附近的碳鍵環(huán)境分析

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圖4枝狀物組分的測(cè)定和圖譜分析

文獻(xiàn)鏈接:Cryo-STEMmappingofsolid–liquidinterfacesanddendritesinlithium-metalbatteries(Nature,2018,DOI:10.1038/s41586-018-0397-3)

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