【11th.Nov.】原位電鏡研究鋰電池關(guān)鍵材料內(nèi)的離子輸運(yùn)動力學(xué)
日期：2019-11-11
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題目︰原位電鏡研究鋰電池關(guān)鍵材料內(nèi)的離子輸運(yùn)動力學(xué)
報(bào)告人︰章煒，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院研究員
時(shí)間：11月11日（周一）上午9：30-11：30，
地點(diǎn)：建工樓410會議室
邀請人：李林森 特別研究員
內(nèi)容摘要︰
? 由于鋰離子的動態(tài)輸運(yùn)直接誘發(fā)鋰電池電極材料中的結(jié)構(gòu)和成分變化，進(jìn)而決定鋰電池的電化學(xué)性能，因此研究鋰離子在電極材料中的輸運(yùn)動力學(xué)是鋰電池研究的關(guān)鍵科學(xué)問題。深刻理解離子動態(tài)輸運(yùn)過程將有助于揭示電極材料的電化學(xué)性能背后的工作機(jī)理。例如，Li4Ti5O12是一種具有快速充放電能力的電極材料，但過去一直認(rèn)為這種材料只會經(jīng)歷兩相相變（Li4Ti5O12 + Li+ +e-Li7Ti5O12），而這兩相的低離子電導(dǎo)率無法與該材料的快速充放電能力相匹配。那么鋰離子如何在這兩相內(nèi)找到快速輸運(yùn)路徑，實(shí)現(xiàn)快速充放電？解決此問題最直接的方式即是利用原位電鏡技術(shù)從原子尺度上直接觀測鋰離子的動態(tài)輸運(yùn)過程。我們通過分析現(xiàn)有的原位電鏡表征鋰電池技術(shù)的不足后，摒棄了設(shè)計(jì)原位微電池的傳統(tǒng)思路，首次研制了一種可在電鏡內(nèi)正常工作的原位液態(tài)微電池裝置。這種微電池既可以像商用電池一樣進(jìn)行恒流充放電測試，又可同時(shí)針對充放電曲線上的每個(gè)點(diǎn)采集到相應(yīng)的鋰元素的電子能量損失譜（EELS），據(jù)此直接解析鋰離子在電池高倍率工作狀態(tài)下的輸運(yùn)路徑及其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)演變過程。結(jié)合計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)兩相界面處的固溶相Li4+xTi5O12大大降低了離子躍遷能壘，從而提供了鋰離子的快速輸運(yùn)路徑。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于我們從本質(zhì)上理解電池工作的微觀機(jī)理，為改良和設(shè)計(jì)電池關(guān)鍵材料提供理論指導(dǎo)。新的原位實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將電極材料的宏觀電化學(xué)性能與晶體內(nèi)部的鋰離子輸運(yùn)相聯(lián)系，為研究鋰電池的構(gòu)效關(guān)系提供了新的方向和策略。
報(bào)告人簡介︰
? 章煒，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院特聘研究員。2006年本科畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料物理系，后師從中科院金屬研究所固體原子像部葉恒強(qiáng)院士學(xué)習(xí)像差校正電子顯微鏡技術(shù)。于2013年博士畢業(yè)后，先后工作于美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室和東京大學(xué)。有>12年的像差校正電鏡工作經(jīng)歷，一直致力于利用像差校正電鏡研究各種材料內(nèi)的構(gòu)效關(guān)系。尤其重在設(shè)計(jì)新型的原位微觀鋰電池，利用原位電鏡技術(shù)在原子尺度上研究鋰電池關(guān)鍵材料內(nèi)的離子動態(tài)輸運(yùn)過程，并與電池的宏觀電化學(xué)性能相關(guān)聯(lián)，最終從本質(zhì)上剖析電池工作機(jī)理。共發(fā)表研究論文26篇，其中以第一作者或共同通訊身份在《Nature Commun.》、《Sci. Adv.》、《J. Am. Chem. Soc.》、《Phys. Rev. Lett.》、《Nano Lett.》、《Adv. Energy Mater.》等期刊上發(fā)表9篇論文。
