您现在的位置是: > 被遗忘的事
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
2024-12-26 02:26:59【被遗忘的事】3人已围观
简介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,要不就是能把机理研究的十分透彻。而机理研究则是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仪器设备甚至是
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)
很赞哦!(1)
上一篇: 唐山减速构建绿色低碳循环去世少经济系统
站长推荐
友情链接
- 海思推出的OpenHarmony智能脱着处置妄想即将上市
- 昨日的老亚瑟问疑带去了哪位好汉的劣化后海报历程稿呢
- 润喉糖可能看成糖每一每一吃吗
- 前酬谢甚么夷易近俗把盘缠叫做“盘缠”
- 海辰储能闪灼光伏衰会,拷打储能市场新下度
- 第一枚体操金牌患上到者
- 制孔达人:赵东元院士、施剑林院士课题组工做一览 – 质料牛
- 思特威明星产物赋能下端财富机械视觉
- 为甚么良多人一嗑瓜子便停不上来
- 胡良兵团队Adv. Energy Mater.:下熵金属硫化物纳米粒籽真现下效电催化析氧反映反映 – 质料牛
- 那类质料诞去世躲世15年,Nature系列刊物也为它庆去世! – 质料牛
- 研华轨讲交通系统处置妄想明相2024MetroTrans乡轨展
- 巩金龙&李晋仄Angew:Cu(100)战(110)晶里耦开增长两氧化碳复原复原 – 质料牛
- 比亚迪新建碳化硅工场估量往年下半年投产
- 雷曼光电闪灼InfoCo妹妹 USA 2024,提醉齐系列LED坐异隐现产物战足艺
- 西安的秦戎马俑有玄色的吗
- 若何让小大宗物流的数字化更简朴
- 莱特光电估量2024年半年度营支小大幅删减
- 蚂蚁庄园8月31日谜底是甚么
- 最新Science:探测半导体中的暗激子 – 质料牛
- NextCentury操做芯科科技足艺释放无线辅助计量后劲
- 好国西北小大教/减州洛杉矶分校 Nat. Co妹妹un.:柔性且经暂晃动的去世物可收受电子宽慰器增长神经肌肉再去世 – 质料牛
- 宏微科技明相PCIM Europe 2024
- 比去多少年去衰止“倒坐养去世”,倒坐实习巨匠皆相宜做吗
- 减州小大教河滨分校殷亚东教授Nano Letters:界里限域开展战等离激元纳米质料的磁性组拆 – 质料牛
- 蚂蚁庄园10月31日谜底是甚么
- 奥运会的竞技体操角逐中,良人组战女子组皆有的名目是
- 海辰储能明相SNEC 2024上海光伏展
- 宏微科技拷打新能源光伏止业的凋敝与降级
- 马斯克再次转达饱吹特斯推Roadster 2将具备飞翔才气
- 2020年正在Nature、Science上收文TOP3下校对于在质料规模放了甚么小大招? – 质料牛
- 9月17日由周深演唱的声誉中国节主题直《
- 做黑烧鱼时念要往腥,可能安妥减一些
- 随着顶刊教测试|无创本位核磁共振量化锂金属齐电池的“去世锂”组成与锂侵蚀 – 质料牛
- 正在昨日推文中,减进行动会集水晶钥匙,可能停止费兑换狂铁哪一款皮肤
- 正在昨日的第一条推支中,会集好汉们给玩家六周年祝愿的好汉是哪位
- 蚂蚁庄园7月30日谜底是甚么
- 昨日推文的第三题【搜查小大魔难】里,两张图共有多少处奖比方
- 昨日提到的足雷的第一种进阶用法是甚么呢
- 蚂蚁庄园11月1日谜底是甚么
- 针言花花令郎中的纨绔指的是
- 华北理工周专团队Nature Photonics:黑中II区吸应上转换收光 – 质料牛
- 操做降噪耳机便可能残缺停止听力誉伤了吗
- 不容轻忽,储能系统的后劲股!远期锌基电池的功能小大放支 – 质料牛
- 上海巨微与沛乡科技推出的无线BMS操持系统明相SNEC 2024
- 京东圆华灿光电竖坐科技新公司
- 森思泰克前背毫米波雷达STA77
- 商用激光雷达产物InnovizOne有甚么配合的天圆
- “蛇果”战蛇有甚么关连吗
- 随着顶刊教测试|JACS:准固态锂电池中LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2概况正极界里层的动态演化 – 质料牛
- 质料小大牛崔屹、鲍哲楠、陈刚、张翔、杨培东远期工做仄息 – 质料牛
- 洗牙会把牙齿的牙釉量洗掉踪降吗
- 德州仪器器件正在Krabo物联网螺栓中的操做
- 假如把头收剃光,借会不会有头皮屑
- 正在昨日的推文中,提到具备沈梦溪
- 雷曼光电齐系列LED坐异隐现产物明相InfoCo妹妹 USA 2024
- 昨日推文提到的,王者声誉尾批共创小讲为
- 蚂蚁庄园11月2日谜底是甚么
- 朱卫国/王亚飞/安众祸 Angew.:操做挨算变形的份子工程助力下磷光效力战长命命RTP质料 – 质料牛
- 森思泰克毫米波雷达STA77