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        SEM原位解決方案每一個設計作品都舉世無雙

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        兩篇連中:華南理工大學研究團隊兩破鋰離子電池天花板

        日期:2020-01-16

          陽極材料的選擇和制備方案是限制鋰離子電池應用的天花板,現階段比較熱門的石墨陽極以及三元鋰離子動力電池都不能滿足新興電子產品對高能量密度電池的迫切需求。硅作為一種先進鋰離子電池的活性陽極材料,因其具有較高的理論容量而備受關注。然而,由于硅在循環過程中體積的巨大變化,硅基陽極材料的快速容量衰減仍然阻礙了硅基陽極材料的可逆利用。

          華南理工大學丘勇才教授研究團隊分別與浙江大學、清華大學、華南師范大學等研究團隊合作,突破了鋰離子電池能量密度天花板并且攻克了硅陽極材料在充放電過程中體積波動過大的難題。相關研究成果分別以"High energy density lithium metal batteries enabled by a porous graphene/MgF2 framework"(https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.12.028)和"Thermal pyrolysis of Si@ZIF-67 into Si@N-doped CNTs towards highly stable lithium storage"(https://doi.org/10.1016/j.scib.2019.12.005)為題發表在權威期刊Energy Storage Materials《Science Bulletin》上。

         

        1. 突破能量密度天花板

          鋰金屬陽極由于具有較高的比容量(3860mAh·g-1)、低的負電化學電位(-3.04 V)和較輕的密度被認為是很好的陽極材料并受到廣泛的研究。華南理工大學丘勇才教授團隊聯合浙江大學、清華大學等單位在《Energy Storage Materials》報道了一種三維復合多孔鋰金屬陽極用于解決鋰金屬陽極在循環過程中的體積膨脹問題和鋰枝晶的不可控生長的問題。三維復合MgxLiy/LiF-Li-rGO鋰金屬陽極不僅制備工藝簡單、可擴展,而且可以滿足實際電池對能量密度高、長循環的要求。三維復合MgxLiy/LiF-Li-rGO陽極與高鎳(NCM811)陰極組裝成的軟包全電池,能夠提供超過350wh·kg-1的能量密度,在循環150圈后依然有85%的能量保持率。

        原位TEM表征、和MgF2電極成核過電勢的驗證

        圖:原位TEM表征、和MgF2電極成核過電勢的驗證

              該研究中使用了澤攸科技生產的PicoFemto?系列原位樣品桿,在透射電鏡中對MgF2-rGO的鋰化過程進行了原位研究。一種帶有MgF2-rGO薄膜的金金屬絲和一種鍍有Li的鎢絲分別作為兩端電極,鋰電極表面的薄氧化層作為電池中的固體電解質。當鋰金屬電極被轉移到TEM中時,電極暴露在空氣中約5s,形成一層約20nm厚的Li2O,起到固體電解質的作用。兩個電極之間產生了-3.4v的相對偏壓,導致Li+離子通過固體電解質轉移到MgF2-rGO電極上。在實驗過程中,電子束被加寬以減少電子束效應。

        原位實驗流程

        圖:原位實驗流程

         

             該研究成功地設計了3D-MgxLiy/LiF-Li-rGO復合陽極,在對稱和全電池中均表現出優異的電池性能,這源于機械和化學上堅固的3D多孔結構和微孔中的親鋰MgxLiy位點。石墨烯支架具有較大的比表面積和豐富的微孔結構,不僅有效地降低了電流密度,而且為Li的沉積提供了一個自由的空間來抑制電極尺寸的變化。MgxLiy功能化的親鋰特性為均勻的Li沉積提供了分布均勻的活性中心,這也有利于抑制循環中鋰枝晶的不可控生長。因此,這種多孔結構和親鋰活性中心合理組合的MgxLiy/LiF-Li-rGO陽極,使復合陽極的電化學性能顯著提高,可應用于高能電池。

         

        2. 改善硅基陽極材料

              硅作為一種先進鋰離子電池的活性陽極材料,因其具有較高的理論容量而備受關注。然而,由于硅在循環過程中體積的巨大變化,硅基陽極材料的快速容量衰減仍然阻礙了硅基陽極材料的可逆利用。華南理工大學丘勇才教授團隊聯華南師范大學等單位在《Science Bulletin》上報道了一種利用共沸石咪唑框架(ZIF-67)通過可控熱裂解制備了硅包裹的氮摻雜碳納米管(Si@N摻雜CNTs)。所制備的納米復合材料能有效地防止硅粉化,并能適應循環過程中硅的體積波動。

         

        原位觀測Si@N-doped CNTs陽極的充放電過程

        圖:原位觀測Si@N-doped CNTs陽極的充放電過程

         

              該研究中使用了澤攸科技生產的PicoFemto?系列原位樣品桿,在透射電鏡中原位觀測了Si@N-doped CNTs陽極的充放電過程。具體地說,將一根含Si@N摻雜碳納米管的金絲和一根含Li的鎢絲分別作為兩端電極,在充滿氬氣環境的手套箱中將兩端電極加載到PicoFemto?TEM-SEM原位樣品桿上。在轉移過程中,鋰對電極故意暴露在空氣中約5s,形成薄的Li2O層作為固態電解質。實驗過程中,在兩電極間施加-3.4v的相對恒定偏壓,使Li+離子從Si@N摻雜的CNTs電極經固體電解質轉移到Li電極上。

        原位TEM實驗流程

        圖:原位實驗流程

         

            通過原位透射電子顯微鏡實驗證實,Si -N摻雜CNT的顯著電化學性能歸因于N摻雜CNT網絡的高電子電導率和柔性可以作為緩沖以減輕機械應力和體積膨脹。此外,還組裝了一個由Si@N摻雜的CNTs陽極和LiFePO4陰極組成的全電池,其在1/4c(1c=4000ma g-1)速率下可在140個循環中提供1264mahg-1的高可逆容量和良好的循環穩定性(>85%的容量保持率)。

         

             想了解更多實驗細節及研究案例可發送郵件至support@zeptools.com詳詢。公眾號也會不斷更新各種產品的研究案例。

           

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        作者:管理員


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