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德国马普所Nature:原位TEM揭示二维材料中更大Li储存容量!

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第一作者:M. Kühne, F. Börrnert

通讯作者:Jurgen H. Smet, Ute Kaiser,

通讯单位:德国马普固体研究所、德国乌尔姆大学

 

研究亮点:

1. 实现了低压原位TEM对双层石墨烯中锂离子可逆插层和排列的实时观测。

2. 发现了锂原子在双层石墨烯片层中间形成多层超致密的密堆积有序结构,有利于更大的锂储存容量。

为什么要研究这个课题?

碳材料是最常用的锂离子可逆插层宿主材料之一,为为电化学储能奠定了基础。然而,工作状态下锂在这些碳宿主材料上的排列,鲜为人知,而这恰恰又是深入理解电化学储能机理,提高电化学储能性能的重要参考。

 

难点在哪里?

原位TEM特别不适合轻质元素,尤其是Li的表征。主要是因为Li元素的低散射横截面不利于接收电子,而且锂元素极易受到电子撞击导致损伤。

 

成果简介

有鉴于此,德国德国马普固体研究所Jurgen H. Smet团队和德国乌尔姆大学Ute Kaiser团队发展了一种低压原位TEM,实现了对双层石墨烯中锂离子可逆插层和排列的实时观测。

 

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图1. 器件示意图和工作原理

 

研究人员以又长又窄的双层石墨烯片层为研究对象,在电化学电池远程插层中发现,锂原子在双层石墨烯片层中间形成多层超致密的密堆积有序结构。这表明,这种超致密有序结构使得锂储存容量远超LiC6结构而LiC6是目前为止在体相石墨中观测到的最致密的结构。研究团队利用球差和色差矫正实现对比度和分辨率的提高,显微镜测试结果与EELS和DFT计算保持一致。

 

总之,这项研究揭示了一种全新的锂离子储存机理,表明了二维材料在提高锂电池容量方面的巨大优势。

 

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图2. 原位TEM测试

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图3. DFT计算

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图4. Li晶体生长

参考文献:

M. Kühne, F. Börrnert, Ute Kaiser, JurgenH. Smet et al. Reversible superdense ordering of lithium between two graphenesheets. Nature 2018.

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0754-2

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为促进深圳地区电子显微学技术交流发展,推广透射电镜,扫描电镜,聚焦离子束双系统,多功能计算机断层扫描系统等设备在锂离子电池材料综合研究方案,兹定于2018年12月28日在深圳召开第二届TEM分析技术研讨会,锂电池成像及显微结构表征解决方案专题。本次技术交流会由清华大学深圳研究生院材料与器件检测中心主办,先进电池与材料产学研技术创新联盟协办,赛默飞世尔科技独家冠名赞助。本次会议重点邀请广东省内从事锂离子电池材料前沿研究尤其是利用材料显微结构综合表征解析材料应用问题的科研机构和企业。此次会议对广大专家学者“免费”开放,我们诚挚地邀请您届时莅临出席本次会议。

1. 已确定出席的专家名单及报告内容(持续更新中……)

(1)高焕香:电池材料的HeliScan μCT定量三维表征应用

(2)吴伟:电池材料的扫描电镜、双束电镜表征及应用介绍

(3)杨光:电池材料的透射电镜研究介绍

2. 时间、地点

时间:2018年12月28日

地点:清华大学深圳研究生院能源与环境大楼一楼报告厅

3. 报名方式(免费参会,名额有限,先到先得

扫描下方二维码报名

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4. 独家冠名赞助商——赛默飞世尔科技简介

赛默飞世尔科技为锂电行业的正负极、隔膜材料和电解液的表征、合浆和涂覆的过程控制,以及原位充放电过程分析提供了综合解决方案。我们提供成套的微观表征技术解决方案,实现对微纳米级结构的粒度、形状、成分的高精度分析,还能对多种尺寸的材料进行二维及三维的多尺度、高精度分析检测。该解决方案主要包含Thermo Scientific™ HeliScan  µCT(多功能计算机断层扫描系统)、扫描电镜、镓离子双束电镜、Xe等离子双束电镜、透射电镜等。

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5. 主办方-清华大学深圳研究生院材料与器件中心简介

清华大学深圳研究生院材料与器件检测中心(以下简称中心)于2008年成立,于2013年通过中国合格评定国家认可委员会(CNAS)认可,2016年获得加拿大标准协会(CSA)授权。目前,中心拥有微区分析、谱学分析、理化分析、电池测试分析四大技术平台,各平台拥有完善的检测设备,总价值逾9000万元,其中包括FEI Tecnai G2 F30透射电子显微镜、HORIBA LabRAM HR800激光拉曼光谱仪、Bruker Dimension Icon原子力显微镜、PHI5000 XPS等一批高精尖设备。检测中心不仅服务于本校的教学和科研工作,更是重要的公共分析检测平台,是清华大学深圳研究生院服务于社会及国际交流的重要窗口。

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