燕山大學(xué):鈉金屬沉積/剝離動(dòng)力學(xué)過程的原位觀察
日期:2022-11-07
基于鈉金屬負(fù)極的固態(tài)鈉金屬電池、鈉硫電池、鈉空氣電池是潛在的能超越鋰電池的能量存儲(chǔ)科技,未來(lái)可能會(huì)應(yīng)用于電動(dòng)汽車和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中。但是鈉枝晶的不可控生長(zhǎng)阻礙了鈉電池系統(tǒng)的開發(fā),鈉枝晶以及相關(guān)的負(fù)極-電解質(zhì)界面問題仍然模棱兩可。
燕山大學(xué)黃建宇老師課題組利用先進(jìn)的原位環(huán)境透射電子顯微鏡技術(shù)方法,研究了鈉沉積/剝離(Plating/stripping)過程,發(fā)現(xiàn)鈉金屬在早期沉積過程中生長(zhǎng)成為一些多面體結(jié)構(gòu),{100}晶面族暴露在外。在鈉的剝離(Stripping)過程中,Na沿著{110}晶面族層層剝離,在逐漸剝離到多面體的角的時(shí)候轉(zhuǎn)向{112}晶面族。鈉的沉積和剝離過程和鋰金屬的存在差異。DFT理論模擬顯示鈉的沉積和剝離遵循能量路徑或者伍爾夫定律,鈉沉積過程中的特殊形狀是原子沉積速率和質(zhì)量通量共同作用的結(jié)果。研究成果以“In situ imaging the dynamics of sodium metal deposition and stripping”為題目發(fā)表在《Journal of Materials Chemistry A》上,燕山大學(xué)黃建宇老師,張利強(qiáng)老師、唐永福老師,韓國(guó)韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院的丁峰老師為論文共同通訊作者,耿林(1/2)和趙超(2/2)是該論文的共同作者。
原位鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/TA/D2TA02513B
圖1 本項(xiàng)研究中利用澤攸科技(ZepTools)的PicoFemto?系列原位TEM-STM樣品桿搭建了原位測(cè)試環(huán)境。
圖2 原位充放電
圖3 原位充放電
圖4 原位充放電
綜上:控制電池中鈉的沉積形貌,緩解鈉枝晶的生長(zhǎng)對(duì)鈉金屬電池來(lái)說是非常重要的,這項(xiàng)原位研究對(duì)電池研究有重要意義。實(shí)驗(yàn)中,鈉是在二氧化碳?xì)夥窄h(huán)境中生長(zhǎng)出來(lái)的,鈉多面體的表面有一層和鈉離子電池中SEI非常相似的碳酸鈉。研究人員發(fā)現(xiàn),鈉沉積過程中的形狀是原子沉積速率和質(zhì)量通量共同作用的結(jié)果,通過控制沉積電壓和環(huán)境是有可能控制鈉的沉積形狀的,這對(duì)未來(lái)良好控制鈉金屬的沉積有啟發(fā)性意義。
這是黃老師課題組近期原位鈉枝晶生長(zhǎng)研究的工作,前面我們已經(jīng)推送了鈉枝晶生長(zhǎng)中的電化學(xué)奧斯瓦爾德熟化機(jī)制的文章,詳情請(qǐng)看前期文章。感謝耿林博士對(duì)公眾號(hào)文章的審核!
圖5 文章中使用的原位樣品桿
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