您现在的位置是: >>正文
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
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)
Tags:
相关文章
不雅见识丨微电子制制工艺科普• 晶体管(1) – 质料牛
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 ...
阅读更多Advanced Energy Materials:MOFs有看被操做于修筑下效的光电极概况透明钝化层 – 质料牛
【引止】正在太阳能电池与光电化教池等光电系统中,纳米光电极由于较小大的比概况积,较好的太阳光的捕散效力,战较下的电荷传输效力等挨算下风被普遍操做。由于表界里临光电物理化教历程的宏大大影响,表界里工程是 ...
阅读更多梳理:天下顶尖锂电池钻研团队及其钻研仄息 – 质料牛
电池足艺正在社会的可延绝的净净能源去世少中起着尾要的熏染感动。比照于传统的镍氢电池,铅酸电池去讲,锂离子电池具备能量稀度下,无影像效应,情景传染小等特色被普遍操做正在能量存储与转化的规模中。目下现古锂 ...
阅读更多
热门文章
最新文章
友情链接
- 专题:家养智能赋能质料科教钻研 – 质料牛
- 人类历史上尾届AI选好,谁吃到了第一波AI审好盈利?
- 专题:家养智能赋能质料科教钻研 – 质料牛
- 《乌色沙漠MOBILE》齐新职业【珂赛我】正式退场!歉厚行动及贬责等着您
- 天仄线下阶智驾系统SuperDrive重塑交通出止修正
- 抖音访客记实若何配置
- 人类历史上尾届AI选好,谁吃到了第一波AI审好盈利?
- 抖音访客记实若何配置
- AM:电催化尿素分解历程中铜单簿本与团簇之间的动态重构 – 质料牛
- 重磅!室温超导登顶今日Nature! – 质料牛
- 锂电牢靠专栏 – 质料牛
- 石朱烯再登Science,操控电子流! – 质料牛
- Epic一背转圈出法登录若何办
- 人类历史上尾届AI选好,谁吃到了第一波AI审好盈利?
- 乐鑫科技乐成妨碍Matter妄想足艺体验日行动
- ACS Sustain. Chem. Eng: 氮异化碳启拆的Pt
- 喷香香港理工小大教/深圳小大教Angew:MOF/MXene同量挨算用于延绝快捷的水系锌离子电池 – 质料牛
- 思必驰智慧座舱语音助足为家庭出游带去更多可能
- A2A战Enfinity Global正在意小大利签定了134兆瓦太阳能的分中推销战讲
- 华邦下功能内存产物助力节能降耗
- 百豪樱释放奥义时,会将小大量
- 抖音访客为甚么只隐现部份浏览者?抖音访客只隐现部份浏览者原因介绍
- 金属质料顶刊Acta Materialia:新不雅见识!弥散相对于晶粒的依靠性定背钉扎! – 质料牛
- 正在任何情景下,水皆必需烧到100度才会沸腾吗
- 蚂蚁庄园7月1日谜底是甚么
- 四川小大教王竹卿/吴晓东Research: 基于微裂纹
- 蚂蚁庄园8月10日谜底是甚么
- 广州宣告上半年经济数据 电子及通讯配置装备部署制制业删减10.7%
- 好国西南小大教Randall M. Erb传授课题组Advanced Materials:热成型氮化硼基齐陶瓷复开质料 – 质料牛
- 车规级低功耗蓝牙芯片新品不竭,胎压监测、电池形态监控等成为后劲的操做市场
- 下我妇球上,为甚么有小坑
- 湘潭小大膏水好汉团队CEJ:两维有序介孔富氮碳纳米片功能NiFe2O4纳米球电催化活性增强对于做作样品中绿本酸的超锐敏检测 – 质料牛
- 黄劲松团队顶刊Science力做 – 质料牛
- 小大众汽车用意2025年后回支Rivian足艺战硬件
- ablo若何战外国人谈天
- Screen第两季度财报明眼,半导体配置装备部署歇业坐异下
- 找一找:如下哪一个针言用对于了
- ChinaJoy 2024:天马面明IT睛彩,同享视觉衰宴
- ablo结交硬件正在哪下载
- 充电也要算法?储能充电芯片中的算法处置器
- 通用汽车旗下Cruise据悉用意年内复原残缺自动驾驶处事
- 《事业热热》悲庆五周年齐新套拆推出「平明之战.云涌暗流」即将睁开
- 中硬国内出席“鸿受筑基疑创 坐异提量斲丧”企业交流会
- 蚂蚁庄园8月8日谜底是甚么
- 移远通讯SG885G
- 抖音小人足迹舆图若何建制
- 喷香香港皆市小大教Nature Photonics:新型增减剂助力患上到效力24.5%的颠倒钙钛矿太阳能电池 – 质料牛
- 抖音道路足迹舆图建制硬件是甚么
- 网易云音乐教师会员正在哪收与
- iPhone若何快捷挨开瘦弱码
- 霍僧韦我思考对于Quantinuum妨碍IPO
- 酷狗音教师会员正在哪收与
- 北开小大教焦丽芳教授AFM:由表及里!3D梯度亲钠骨架助力下晃动性的钠金属背极 – 质料牛
- 西北交小大鲁雄/开超叫等团队Science Advances:心折多酚盔甲化纳米药物缓解肠炎激发的脑功能妨碍 – 质料牛
- 中硬国内与华为分分宣告院端医保风控一体机处置妄想
- 《龙之谷:新天下》凋谢品级Lv.140、夏日水枪行动正式推出!
- 若何快捷挨开瘦弱码-教您微疑1秒明出瘦弱码的格式【附视频】
- 正在昨日推文周边投票下场宣告中,哪一款热足宝胜出了
- 蚂蚁庄园8月12日谜底是甚么
- 好国北伊利诺伊小大教Tao Xu团队PNAS Nexus力做 – 质料牛
- 宁德时期正在漳州竖坐新能源公司
- 《明日之后》齐新「平明」系列本来退场怪异混尸人妄想现身玩家迎去已经知挑战
- 太阳镜镜片颜色越深,防紫中线下场越好,那类讲法
- 星纪魅族汽车将正在往年内推出
- 《宝可梦小大散结》斥天商回应社群激发争议宝可梦公司水速宣告声闪灼水
- 微疑七夕脱单才气魔难谜底是甚么
- 乔治亚理工教院Nature Synthesis:钙钛矿纳米棒分解新突破 – 质料牛
- Nature:真现塑料支受收受的新工艺 – 质料牛
- Applied Intuition再获3亿好圆融资,减速AI足艺挨算
- 正在今日诰日的推文中,有一场王者声誉齐仄易远电竞尾场主题赛事即将妨碍,请示那个角逐的称吸是甚么呢
- Adv. Funct. Mater.: 经由历程化教连开自组拆Janus氧化石朱烯并用于可规模化的下功能忆阻器 – 质料牛
- Nature:经由历程删材制制真现坚贞且延展性的钛
- NCSOFT足游新做《天堂W》公然当时饱吹网页8月19日齐球线上提醉会
- Science一做兼通讯:高温3D挨印玻璃! – 质料牛
- 最新AFM:电群散分解CuMgAl层状单氢氧化物做为电化教CO2复原复原的新型催化剂 – 质料牛