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Adv Mater | 原位 TEM 研究 α-MnO2 的锂化机制


Lithiation Mechanism of Tunnel-Structured MnO2 Electrode Investigated by In Situ Transmission Electron Microscopy,Advanced Materials,DOI: 10.1002/adma.201703186 。第一作者:Seung-Yong Lee1,2,通讯作者:Esther S. Takeuchi2, Miyoung Kim1, Yimei Zhu2。1 韩国首尔国立大学,2 美国布鲁克海文国家实验室。


α-MnO2 是一种环境友好的能源材料,它可作为锂离子电池电极:在不同的电压范围下,可分别发生插层反应作为正极、发生转化反应作为负极。其良好的电化学性质可被归结于独特的一维 [2×2] 隧道结构,不过,人们对这一电化学反应机制缺乏精细的认识。

在本这篇文章中,作者了通过原位透射电子显微镜(TEM)研究了 α-MnO2 纳米线的锂化机制。实验证明,锂离子可在 [2×2] 隧道结构中快速传输。作者通过原位 TEM 观察了锂化反应的全过程。初期,锂离子发生嵌入反应,导致 α-MnO2 在 a 和 b 方向晶格扩张(≈8%),但在沿着纳米线的纵向(c 方向)上几乎没有膨胀。之后开始发生转化反应,形成 MnO 中间相,最后形成 Mn 金属单质和 Li2O 相。通过深入分析,作者首次发现,在纳米线剖面内(即从 α-MnO2 [001]四方相 看),MnO 和 Li2O 相沿 [-110]立方相 方向具有择优取向,作者认为这可能是形成稳定结构的最简单方式。这一研究还提供了多种重要信息,如锂离子的原子位置和扩散途径、完全锂化后的纳米线伸长幅度等。作者展望,该工作中的原位 TEM 实验程序可用于未来多种能源材料的研究。


 

Adv Mater | 原位 TEM 研究 α-MnO2 的锂化机制图1 对钾掺杂的 α-MnO2 纳米线的晶体结构表征

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图2 原位 TEM 实验确认 α-MnO2 纳米线中锂离子传输路径

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图3 原位 TEM 实验研究  α-MnO2 纳米线的锂化机制

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图4 锂化过程中 MnO 相的探测,及其形成机制

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图5 锂化过程中 Li2O 相的探测,及其形成机制

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图6 恒流充放电和 CV 测试

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图7 锂化过程示意图

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