锂电方向想发好文章?常见锂电机理研究方法了解一下! – 材料牛
近年来国际知名期刊上发表的锂电类文章要不就是能做出突破性的性能,要不就是向法解能把机理研究的十分透彻。而机理研究则是想发下材考验科研工作者们的学术能力基础和科研经费的充裕程度。此外机理研究还需要先进的好文仪器设备甚至是原位表征设备来对材料的反应进行研究。目前材料研究及表征手段可谓是章常五花八门,在此小编仅仅总结了部分常见的见锂究方锂电等储能材料的机理研究方法。限于水平,电机必有疏漏之处,锂电理研料牛欢迎大家补充。向法解
小编根据常见的想发下材材料表征分析分为四个大类,材料结构组分表征,好文材料形貌表征,章常材料物理化学表征和理论计算分析。见锂究方
材料结构组分表征
目前在储能材料的电机常用结构组分表征中涉及到了XRD,NMR,XAS等先进的表征技术,此外目前的锂电理研料牛研究也越来越多的从非原位的表征向原位的表征进行过渡。利用原位表征的实时分析的优势,来探究材料在反应过程中发生的变化。此外,越来越多的研究工作开始涉及了使用XAS等需要使用同步辐射技术的表征,而抢占有限的同步辐射光源资源更显得尤为重要。
XANES
X射线吸收近边结构(XANES)又称近边X射线吸收精细结构(NEXAFS),是吸收光谱的一种类型。在X射线吸收谱中,阈值之上60eV以内的低能区的谱出现强的吸收特性,称之为近边吸收结构(XANES)。它是由于激发光电子经受周围原子的多重散射造成的。它不仅反映吸收原子周围环境中原子几何配置,而且反映凝聚态物质费米能级附近低能位的电子态的结构,因此成为研究材料的化学环境及其缺陷的有用工具。目前,国内的同步辐射光源装置主要有北京同步辐射装置,(BSRF,第一代光源),中国科学技术大学的合肥同步辐射装置 (NSRL,第二代光源)和上海光源(SSRF,第三代光源),对国内的诸多材料科学的研究起到了巨大的作用。
近日,王海良课题组利用XANES等先进表征技术研究富含缺陷的单晶超薄四氧化三钴纳米片及其电化学性能(Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701694), 如图一所示。该研究工作利用了XANES等技术分析了富含缺陷的四氧化三钴的化学环境,从而证明了其中氧缺陷的存在及其相对含量。此外通过EAXFS证明了富含缺陷的四氧化三钴中的Co具有更低的配位数。这些条件的存在帮助降低了表面能,使材料具有良好的稳定性。利用同步辐射技术来表征材料的缺陷,化学环境用于机理的研究已成为目前的研究热点。
Figure 1. Analysis of O-vacancy defects on the reduced Co3O4nanosheets. (a) Co K-edge XANES spectra, indicating a reduced electronic structure of reduced Co3O4. (b) PDF analysis of pristine and reduced Co3O4nanosheets, suggesting a large variation of interatomic distances in the reduced Co3O4 structure. (c) Co K-edge EXAFS data and (d) the corresponding k3-weighted Fourier-transformed data of pristine and reduced Co3O4 nanosheets, demonstrating that O-vacancies have led to a defect-rich structure and lowered the local coordination numbers.
XRD
XRD全称是X射线衍射,即通过对材料进行X射线衍射来分析其衍射图谱,以获得材料的结构和成分,是目前电池材料常用的结构组分表征手段。
原位XRD技术是当前储能领域研究中重要的分析手段,它不仅可排除外界因素对电极材料产生的影响,提高数据的真实性和可靠性,还可对电极材料的电化学过程进行实时监测,在电化学反应的实时过程中针对其结构和组分发生的变化进行表征,从而可以有更明确的对体系的整体反应进行分析和处理,并揭示其本征反应机制。因此,原位XRD表征技术的引入,可提升我们对电极材料储能机制的理解,并将快速推动高性能储能器件的发展。
目前,陈忠伟课题组在对锂硫电池的研究中取得了突破性的进展,研究人员使用原位XRD技术对小分子蒽醌化合物作为锂硫电池正极的充放电过程进行表征并解释了其反应机理(NATURE COMMUN., 2018, 9, 705),如图二所示。通过各项表征证实了蒽醌分子中酮基官能团与多硫化物通过强化学吸附作用形成路易斯酸是提升锂硫电池循环稳定性的关键。通过在充放电过程中小分子蒽醌与可溶性多硫化锂发生“化学性吸附”,形成无法溶解于电解液的不溶性产物,从而实现对活性物质流失的有效抑制,显著地增加了电池的寿命。
Fig. 2 In-situ XRD analysis of the interactions during cycling. (a)XRD intensity heat map from 4oto 8.5oof a 2.4 mg cm–2cell’s first cycle discharge at 54 mA g–1and charge at 187.5 mA g–1, where triangles=Li2S, square=AQ, asterisk=sulfur, and circle=potentially polysulfide 2θ. (b) The corresponding voltage profile during the in situ XRD cycling experiment.
材料形貌表征
在材料科学的研究领域中,常用的形貌表征主要包括了SEM,TEM,AFM等显微镜成像技术。目前材料的形貌表征已经是绝大多数材料科学研究的必备支撑数据,一个新颖且引人入胜的形貌电镜图也是发表高水平论文的不二法门。而目前的研究论文也越来越多地集中在纳米材料的研究上,并使用球差TEM等超高分辨率的电镜来表征纳米级尺寸的材料,通过高分辨率的电镜辅以EDX, EELS等元素分析的插件来分析测试,以此获得清晰的图像和数据并做分析处理。
TEM
TEM全称为透射电子显微镜,即是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上,电子在与样品中的原子发生碰撞而改变方向,从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相关,因此可以形成明暗不同的影像,影像将在放大、聚焦后在成像器件上显示出来。利用原位TEM等技术可以获得材料形貌和结构实时发生的变化,如微观结构的转化或者化学组分的改变。在锂硫电池的研究中,利用原位TEM来观察材料的形貌和物相转变具有重要的实际意义。Kim课题组在锂硫电池的正极研究中利用原位TEM等形貌和结构的表征,深入的研究了材料的电化学性能与其形貌和结构的关系 (Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1602078.),如图三所示。
该工作使用多孔碳纳米纤维硫复合材料作为锂硫电池的正极,在大倍率下充放电时,利用原位TEM观察材料的形貌变化和硫的体积膨胀,提供了新的方法去研究硫的电化学性能并将其与体积膨胀效应联系在了一起。
Fig. 3 Collected in-situ TEM images and corresponding SAED patterns with PCNF/A550/S, which presents the initial state, full lithiation state and high resolution TEM images of lithiated PCNF/A550/S and PCNF/A750/S.
材料物理化学表征
UV-vis
UV-vis spectroscopy全称为紫外-可见光吸收光谱。吸收光谱可以利用吸收峰的特性进行定性的分析和简单的物质结构分析,此外还可以用于物质吸收的定量分析。UV-vis是简便且常用的对无机物和有机物的有效表征手段,常用于对液相反应中特定的产物及反应进程进行表征,如锂硫电池体系中多硫化物的测定。
最近,晏成林课题组(Nano Lett., 2017, 17, 538-543)利用原位紫外-可见光光谱的反射模式检测锂硫电池充放电过程中多硫化物的形成,根据图谱中不同位置的峰强度实时获得充放电过程中多硫化物种类及含量的变化,如图四所示。研究者发现当材料中引入硒掺杂时,锂硫电池在放电的过程中长链多硫化物的生成量明显减少,从而有效地抑制了多硫化物的穿梭效应,提高了库伦效率和容量保持率,为锂硫电池的机理研究及其实用化开辟了新的途径。
Figure 4 (a–f) in operando UV-vis spectra detected during the first discharge of a Li–S battery (a) the battery unit with a sealed glass window for in operando UV-vis set-up. (b) Photographs of six different catholyte solutions; (c) the collected discharge voltages were used for the in situ UV-vis mode; (d) the corresponding UV-vis spectra first-order derivative curves of different stoichiometric compounds; the corresponding UV-vis spectra first-order derivative curves of (e) rGO/S and (f) GSH/S electrodes at C/3, respectively.
理论计算分析
随着能源材料的大力发展,计算材料科学如密度泛函理论计算,分子动力学模拟等领域的计算运用也得到了大幅度的提升,如今已经成为原子尺度上材料计算模拟的重要基础和核心技术,为新材料的研发提供扎实的理论分析基础。
密度泛函理论计算(DFT)
利用DFT计算可以获得体系的能量变化,从而用于计算材料从初态到末态所具有的能量的差值。通过不同的体系或者计算,可以得到能量值如吸附能,活化能等等。此外还可用分子动力学模拟及蒙特卡洛模拟材料的动力学行为及结构特征。近日, Ceder课题组在新型富锂材料正极的研究中(Nature 2018, 556, 185-190)取得了重要成果,如图五所示。这项研究利用蒙特卡洛模拟计算解释了Li2Mn2/3Nb1/3O2F 材料在充放电过程中的变化及其对材料结构和化学环境的影响。该项研究也为高性能富锰正极拓宽了其在电池领域的新的应用。
Fig. 5 Ab initio calculations of the redox mechanism of Li2Mn2/3Nb1/3O2F. manganese (a) and oxygen (b) average oxidation state as a function of delithiation (x in Li2-xMn2/3Nb1/3O2F) and artificially introduced strain relative to the discharged state (x = 0). c, Change in the average oxidation state of Mn atoms that are coordinated by three or more fluorine atoms and those coordinated by two or fewer fluorine atoms. d, Change in the average oxidation state of O atoms with three, four and five Li nearest neighbours in the fully lithiated state (x = 0). The data in c and d were collected from model structures without strain and are representative of trends seen at all levels of strain. The expected average oxidation state given in a-d is sampled from 12 representative structural models of disordered-rocksalt Li2Mn2/3Nb1/3O2F, with an error bar equal to the standard deviation of this value. e, A schematic band structure of Li2Mn2/3Nb1/3O2F.
小结
目前锂离子电池及其他电池领域的研究依然是如火如荼。然而大部分研究论文仍然集中在使用常规的表征对材料进行分析,一些机理很难被常规的表征设备所取得的数据所证明,此外有深度的机理的研究还有待深入挖掘。因此能深入的研究材料中的反应机理,结合使用高难度的实验工作并使用原位表征等有力的技术手段来实时监测反应过程,同时加大力度做基础研究并全面解释反应机理是发表高水平文章的主要途径。此外,结合各种研究手段,与多学科领域相结合、相互佐证给出完美的实验证据来证明自己的观点更显得尤为重要。
本文由材料人专栏科技顾问罗博士供稿。
相关文章:催化想发好文章?常见催化机理研究方法了解一下!
如果您想利用理论计算来解析锂电池机理,欢迎您使用材料人计算模拟解决方案。材料人组建了一支来自全国知名高校老师及企业工程师的科技顾问团队,专注于为大家解决各类计算模拟需求。如果您有需求,欢迎扫以下二维码提交您的需求,或直接联系微信客服(微信号:cailiaoren001)
(责任编辑:)
-
感应熏染古晨闭于微电子制制足艺出有一个比力细确战系统的文章。有一些做IC的童鞋,略有波及,但皆是很概况的。我希看以工艺工程师的角度,比力残缺天把微电子制制工艺提醉给小大家,让小大家对于晶体管的制程有一 ...[详细]
-
微疑7.0.4安卓内测版正在哪下载?安卓微疑最新7.0.4下载天址
微疑7.0.4安卓内测版正在哪下载?安卓微疑最新7.0.4下载天址文章做者:网友浑算宣告时候:2019-03-30 15:31:20去历:www.down6.com据古时下载网患上悉,微疑版本又一次更 ...[详细] -
正在齐球半导体市场日月芽同的今日诰日,荷兰半导体制制商Nexperia安世半导体)远日迈出了宽峻大的一步。那家以足艺坐异战产物量量著称的公司宣告掀晓,用意投资下达2亿好圆约开1.84亿欧元),用于研收 ...[详细]
-
北昆士兰小大教陈志刚,昆士兰小大教邹进&化教所狄重安Prog. Mater. Sci.:基于导电散开物的柔性热电质料战器件:从机理到操做 – 质料牛
【引止】人类社会宽峻依靠于煤,煤油等不成再去世老本做为能源提供,而小大量的能源耗益组成为了宽峻的问题下场,收罗温室气体排放,空气传染战能源惊险等。为了缓解能源耗益过快的远况,钻研职员一背正在探供可能后 ...[详细] -
Adv. Funct. Mater. :用于按需液体释放的光敏海绵状涂层 – 质料牛
【引止】良多钻研报道了宽慰吸应性涂层,但惟独少数可能受控释放去修正涂层概况性量。远去,已经斥天了可能约莫正在光照下释放战收受液体的海绵状涂层。多孔涂层的形态受散开前单体异化物的远晶液晶功能克制,正在垂 ...[详细] -
正在即将到去的慕僧乌上海电子展上,极海半导体将携其齐球尾款基于ArmCortex-M52处置器Helium足艺的单核架构G32R5系列实时克制MCU明相,提醉公司正在微克制器规模的卓越坐异真力。那款革 ...[详细]
-
北昆士兰小大教陈志刚,昆士兰小大教邹进&化教所狄重安Prog. Mater. Sci.:基于导电散开物的柔性热电质料战器件:从机理到操做 – 质料牛
【引止】人类社会宽峻依靠于煤,煤油等不成再去世老本做为能源提供,而小大量的能源耗益组成为了宽峻的问题下场,收罗温室气体排放,空气传染战能源惊险等。为了缓解能源耗益过快的远况,钻研职员一背正在探供可能后 ...[详细] -
小米汽车甚么光阴上市 卖价多少?奔流T77功能若何样 规画机那边产的?
小米汽车甚么光阴上市 卖价多少?奔流T77功能若何样 规画机那边产的?文章做者:网友浑算宣告时候:2019-04-01 09:56:01去历:www.down6.com小米汽车甚么光阴上市 卖价多少? ...[详细] -
一、Adv. Energy Mater.综述:用于钠离子电池的普鲁士蓝阳极质料图1 PBA框架晶体挨算示诡计钠离子电池SIB)由于其低老本有看替换锂离子电池用于小大规模电能贮存操做,可是,由于贫乏相宜 ...[详细]
-
5G汇散要换SIM卡吗?4G若何降级到5G汇散?文章做者:网友浑算宣告时候:2019-03-31 12:44:48去历:www.down6.com今日诰日上午,中国挪移宣告掀晓国内尾个5g通话接通,新 ...[详细]
- TCL华星拟支购LGD广州厂,中国电视里板市场格式或者将重塑
- 阿里云盘若何上传视频
- 周震/许杰/戴降/邵功磊Nat. Co妹妹un.:两维PhenPtCl2正在电催化析氢历程的动态配位机制 – 质料牛
- AI芯片先进启拆提供宽峻,台企减速挨算FOPLP足艺
- 三星隐现与LG隐现抢夺iPhone 16 OLED定单
- 北京财富小大教何冰芳教授战下兵兵副教授团队最新CEJ:3D挨印β
- 科山芯创推出低功耗(70uA)、可抉择删益的松稀仪表放大大器COSINA333
- 天津小大教 2024尾篇 Nature 半导体石朱烯新突破! – 质料牛
- 台积电或者支购群创5.5代LCD厂以扩大CoWoS产能
- 鸿腾松稀科技斥资2.2亿支购华云光电股权