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想發(fā)表高水平論文？原位TEM了解下！

來源：測試GO 時間：2020-12-01 16:48:05 瀏覽：5233次

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技術(shù)顧問吳老師：19113533771（微同）

隨著新能源的蓬勃發(fā)展，儲能電池的開發(fā)走上了一條快車道，各種新型鋰離子電池，鈉/鉀離子電池和鋅離子電池等儲能器件噴涌而出！然而，由于電池在充放電時的反應(yīng)十分復(fù)雜，傳統(tǒng)的表征手段并不能明晰整個機理。因此，研究者們一直在思考如何對電池材料的形貌與結(jié)構(gòu)演變，電化學(xué)反應(yīng)過程和固態(tài)電解質(zhì)界面膜等情況進行監(jiān)視和表征。

最近幾年，隨著原位透射電子顯微鏡（in situ TEM）的發(fā)展，上述問題似乎逐漸有了答案。原位TEM作為一項非常實用的高端表征技術(shù)，其極高的分辨率非常適于對各種儲能材料的微觀形貌進行“原位動態(tài)”觀察。此外，結(jié)合選區(qū)電子衍射技術(shù)（SAED），電子能量損失譜（EELS）和能譜儀（EDX），我們還可以獲得材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)信息。因此，整個電極材料在充放電過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化以及電化學(xué)反應(yīng)過程都得以清晰的呈現(xiàn)，從而讓研究者輕松弄懂電池的“內(nèi)心”，發(fā)表高水平研究成果！下面我們結(jié)合幾篇高水平論文給大家分享一下原位TEM在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用。

1、固態(tài)電池

Nature：原位TEM觀察金屬鋰在中空管中的沉積-剝離行為

在固態(tài)鋰電池中，金屬鋰的沉積所產(chǎn)生的機械應(yīng)力在135 mV的過電勢下高達1 GPa。為了保持電化學(xué)穩(wěn)定性，固態(tài)鋰電池需要能容納這種機械應(yīng)力并保持機械穩(wěn)定性，這非常有挑戰(zhàn)性。鑒于此，美國麻省理工學(xué)院的李巨老師聯(lián)合諾獎得主Goodenough老爺爺采用原位TEM對金屬鋰在混合電子/離子導(dǎo)體（MIEC）中空管中的沉積-剝離行為進行了詳細的研究（圖1）。[1] 研究結(jié)果表明，鋰金屬可以沿著相界以單晶的形式通過柯勃爾蠕變（Coble creep）在管中生長（視頻1）和收縮。該MIEC中空管獨特的結(jié)構(gòu)顯著減少了機械應(yīng)力，從而有利于提高材料的循環(huán)性能。除此之外，作者還采用原位TEM中的選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)對金屬鋰沉積過程中的相成分和織構(gòu)情況進行了研究（視頻2）。

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圖1 Li在中空碳管內(nèi)部的沉積/剝離行為

視頻1 原位TEM觀察金屬Li沉積在中空碳管內(nèi)部

視頻2 金屬Li沉積時的原位選區(qū)電子衍射（SAED）

2、鋰硫電池

Nature Energy：原位TEM觀察“Li2S-石墨烯納米膠囊”在充放電時的結(jié)構(gòu)演變

Li-S電池因具有高的能量密度而受到了廣泛的關(guān)注。然而Li-S電池的循環(huán)壽命卻也因正極材料在充放電時大的體積變化而受到阻礙。在此，美國阿貢國家實驗室的Jun Lu教授，Khalil Amine教授和俄勒岡州立大學(xué)的紀秀磊教授合作設(shè)計了一種“Li2S-石墨烯納米膠囊”。[2] 為了探究這種結(jié)構(gòu)獨特的優(yōu)勢，作者們采用原位TEM對該材料在充放電時的結(jié)構(gòu)演變進行了研究。如圖2所示，“Li2S-石墨烯納米膠囊”的尺寸在充放電時有規(guī)律地增大和縮小，但體積變化僅有10%。這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)使得材料具有長的循環(huán)壽命。作為對比，純的Li2S顆粒在充放電時則很快破碎（圖3），因此容量很快衰減。

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圖2 “Li2S-石墨烯納米膠囊”在不同充放電狀態(tài)時的形貌

圖3 純Li2S材料在不同充放電狀態(tài)時的形貌

3 、鋰離子電池/鉀離子電池

Advanced Energy Materials：原位TEM解釋納米中空八面體聚銻酸負極材料具有長循環(huán)壽命的原因

近些年來，研究者們開發(fā)了無數(shù)的電極材料用以在二次電池中存儲堿金屬離子（如Li+離子和K+離子）。但是，僅有很少的電極材料可以作為一個通用的主體材料用于存儲堿金屬離子?；诖?，四川大學(xué)的張云教授和吳昊教授通過納米結(jié)構(gòu)調(diào)控與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑相結(jié)合的合成策略，成功設(shè)計并制備出一種新型的內(nèi)部含空隙的聚銻酸納米八面體與氮摻雜石墨烯結(jié)合的復(fù)合材料（PAA?N-RGO）。[3] 電化學(xué)測表明，該復(fù)合材料作為鋰離子電池負極時可穩(wěn)定循環(huán)800次，容量保持率高達93.5%。為了探究材料具有良好循環(huán)性能的原因，作者們采用原位TEM對材料進行了原位表征。如圖4所示，材料在鋰化放電時首先向內(nèi)填充空隙，隨后再向外擴展，但由于受到外部包覆的石墨烯的限制，顆粒尺寸向外增長十分有限，總的體積膨脹率僅在130%左右，突出表明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢。

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圖4 納米中空聚銻酸顆粒在鋰化時的結(jié)構(gòu)演變

4、鈉離子電池

Nano letters：原位TEM觀測Bi@Void@C材料的鈉化/去鈉化過程

金屬Bi是一種很有潛力的鈉離子電池負極材料，它有著高的質(zhì)量比容量（386 mAh g?1）和體積比容量（3800 mAh cm?3）。然而，鈉化時巨大的體積膨脹嚴重損害了其電化學(xué)性能?；诖?，中科院的余彥老師和廈門大學(xué)的張橋保老師合作設(shè)計了一種“蛋黃-殼”結(jié)構(gòu)的Bi@Void@C材料。[4] 優(yōu)化后的Bi@Void@C材料具有合適的空隙，不僅能夠容納Bi的體積膨脹還能避免損害材料的體積能量密度。為了探究“蛋黃-殼”結(jié)構(gòu)的Bi@Void@C材料在鈉化時的獨特優(yōu)勢，作者采用原位TEM對其進行詳細了研究。從圖5b-h可以發(fā)現(xiàn)，隨著鈉化的進行，Bi顆粒的尺寸逐漸增加（從160/131到224/187 nm），體積膨脹高達274%/287%。在去鈉化時，Bi顆粒則恢復(fù)至最初的尺寸，整個鈉化/去鈉化過程材料都沒有發(fā)生破裂（視頻3）。此外，作者還采用原位TEM對Bi@Void@C材料的多次鈉化/去鈉化過程進行了觀察（圖5i-o），都沒有觀察到結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象。因此，作為鈉離子電池電極材料，Bi@Void@C表現(xiàn)出了優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

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圖5 Bi@Void@C材料在不同時間及不同循環(huán)次數(shù)時的結(jié)構(gòu)

視頻3 原位TEM觀察Bi@Void@C材料的鈉化/去鈉化過程

至此，相信你已經(jīng)了解到了原位TEM的強大功能。鑒于其動態(tài)，實時，準確的特性，現(xiàn)如今科研人員越來越偏向采用它來對儲能材料的結(jié)構(gòu)演變與反應(yīng)機理進行研究，從而獲得深刻，豐富和正確的研究結(jié)果。不過一個現(xiàn)實的問題隨之而來：哪里能夠進行原位TEM測試呢？

不用擔心！為了滿足廣大用戶的需求，國內(nèi)專業(yè)的科研團隊“測試狗”正式推出了針對儲能領(lǐng)域的“原位TEM”表征技術(shù)。無論你研究的是鋰離子電池、鈉離子電池和鉀離子電池還是鋰硫電池、固態(tài)電池和鋅離子電池等體系，請把材料交給我們，保證還你一份準確完美的原位TEM數(shù)據(jù)，為你發(fā)表高水平論文鋪平道路！

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參考文獻：

[1] Y. Chen, Z. Wang, X. Li, X. Yao, C. Wang, Y. Li, W. Xue, D. Yu, S.Y. Kim, F. Yang, A. Kushima, G. Zhang, H. Huang, N. Wu, Y.W. Mai, J.B. Goodenough, J. Li, Nature, 578 (2020) 251-255.

[2] G. Tan, R. Xu, Z. Xing, Y. Yuan, J. Lu, J. Wen, C. Liu, L. Ma, C. Zhan, Q. Liu, T. Wu, Z. Jian, R. Shahbazian-Yassar, Y. Ren, D.J. Miller, L.A. Curtiss, X. Ji, K. Amine, Nature Energy, 2 (2017), 17090.

[3] B. Wang, Z. Deng, Y. Xia, J. Hu, H. Li, H. Wu, Q. Zhang, Y. Zhang, H. Liu, S. Dou, Advanced Energy Materials, 10 (2019), 1903119.

[4] H. Yang, L.W. Chen, F. He, J. Zhang, Y. Feng, L. Zhao, B. Wang, L. He, Q. Zhang, Y. Yu, Nano Lett, 20 (2020) 758-767.

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