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2019 年 4 月 26 日，浙江大學(xué)吳浩斌老師課題組采購的飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡 Phenom LE 通過了安裝驗(yàn)收，正式投入使用。這一年多的時(shí)間，吳浩斌老師課題組取得了豐碩的研究成果。

研究一

浙江大學(xué)吳浩斌老師和劉倩倩同學(xué)等人在 Nano-Micro Letters 上發(fā)表了 Sustained?Release Nanocapsules Enable Long?Lasting Stabilization of Li Anode for Practical Li?Metal Batteries（doi.org/10.1007/s40820-020-00514-1）。Nano-Micro Letters 是由教育部主管，上海交通大學(xué)主辦的英文學(xué)術(shù)期刊，中科院工程技術(shù) 1 區(qū) TOP 期刊，IF(2019)=12.264。該刊主要報(bào)道納米/微米科技相關(guān)的高水平研究成果或評(píng)論性文章。

研究背景

鋰金屬負(fù)極（LMA）由于其超高的理論比容量（3860 mAh/g）和極低的工作電位（-3.04 V vs. SHE），被認(rèn)為是高能量密度儲(chǔ)能器件負(fù)極材料的最優(yōu)選擇。然而，鋰金屬不穩(wěn)定的 SEI 膜使得鋰沉積不均勻，極易形成鋰枝晶，造成電池短路失效與安全隱患。因此，通過電解液設(shè)計(jì)，穩(wěn)定界面 SEI 膜同時(shí)抑制循環(huán)過程中鋰枝晶的形成，是鋰金屬電池得以實(shí)用化的前提條件。硝酸鋰是一種優(yōu)異的負(fù)極成膜添加劑，同時(shí)使鋰沉積傾向于球形顆粒的方式生長(zhǎng)，但是其在碳酸酯類電解液中極低的溶解度限制了其廣泛應(yīng)用。

文章簡(jiǎn)介

本文采用溶液浸漬的方法將 LiNO₃ 加入 MOF-808 孔道中，SEM、XRD、Raman 和 TGA 的結(jié)果均證明硝酸鋰進(jìn)入了 MOF-808 的孔道內(nèi)，形成了 LiNO₃@MOF 納米膠囊。LNO@MOF 的加入明顯提高 Li|Li 電池的循環(huán)穩(wěn)定性，同時(shí)降低了極化過電位。Cu|Li 電池的平均庫倫效率提高至 98.8%。將薄鋰金屬負(fù)極（50 μm）搭配高比面容量正極（~ 4 mAh cm-2）和 LNO@MOF 電解液（40 μL mAh-1）組裝成的鋰金屬全電池具有優(yōu)異的循環(huán)壽命和倍率性能。

形貌表征

通過飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察了沉積不同容量時(shí)鋰負(fù)極的形貌（如下圖所示），不含 LNO@MOF 的電解液（a）中隨著沉積容量的增加，鋰呈枝晶狀并不斷縱向生長(zhǎng)變長(zhǎng)；而添加 LNO@MOF 的電解（b），鋰沉積傾向于顆粒狀生長(zhǎng)，且沉積更加致密，且隨著循環(huán)的進(jìn)行（c-e），鋰表面依舊沒有明顯鋰枝晶的形成，表面不可逆鋰的厚度隨著循環(huán)進(jìn)行緩慢增加，說明不斷沉積和溶解過程中鋰的粉化不嚴(yán)重。

飛納電鏡操作簡(jiǎn)單，尤其對(duì)于極易氧化的鋰金屬樣品，飛納電鏡能夠?qū)崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)移和真空操作，使得鋰金屬的形貌得到保持。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種 LNO@MOF 的納米膠囊作為鋰金屬電池的電解液添加劑，在實(shí)際鋰金屬全電池中實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。該納米膠囊通過 LiNO₃ 存儲(chǔ)在 MOF 納米顆粒的孔道中實(shí)現(xiàn)。納米膠囊保證了電解液中 LiNO₃ 處于飽和狀態(tài)，進(jìn)而穩(wěn)定鋰負(fù)極界面膜，抑制鋰枝晶生長(zhǎng)。該研究有望用于實(shí)際的鋰金屬全電池體系，并為低溶解度的成膜添加劑的應(yīng)用提供了新的方法。

研究二

浙江大學(xué)吳浩斌老師和趙博同學(xué)等人在國(guó)際頂級(jí)期刊 Advanced Functional Materials 上發(fā)表文章。Advanced Functional Materials 期刊 2020 年 6 月最新影響因子為 16.8。

研究背景

研究人員為了提升倍率性能采用的最普遍策略是將電極材料納米化或制備成多孔顆粒，來降低離子在固態(tài)電極材料中的擴(kuò)散距離。在納米化或多孔結(jié)構(gòu)的電極材料和電解液較大的接觸界面區(qū)域會(huì)發(fā)生“贗電容”儲(chǔ)能行為。然而，納米化和多孔結(jié)構(gòu)的電極材料，又限制了材料的體積比容量，并且較大的比表面積也會(huì)帶來嚴(yán)重的界面副反應(yīng)。

文章簡(jiǎn)介

為了解決這一看似互相矛盾的難題，近日，浙江大學(xué)吳浩斌研究員課題組等人利用 CVD 方法，合成了一種“固-固”異質(zhì)界面誘導(dǎo)具有高體積比容量?jī)?chǔ)鈉性能的無孔 P-TiO₂ 微球。實(shí)驗(yàn)證明，這種微球顆粒內(nèi)部的“固-固”異質(zhì)界面仍然可以誘導(dǎo)贗電容儲(chǔ)鈉行為。同時(shí)，體積比容量測(cè)試結(jié)果為商用硬碳材料的兩倍。

形貌表征

飛納電鏡 SEM 圖，P-TiO₂ 形貌表征

a，b 圖為純的介孔 TiO₂，在飛納電鏡下，可以清晰的看到介孔的結(jié)構(gòu)，TiO₂ 微米球由納米晶組裝而成；c，d 圖，是為退火處理過的純 TiO₂，在飛納電鏡下，可以清晰的看到 TiO2 微米球的表面介孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這種納米尺度的表面變化直接可在 SEM 電鏡下觀測(cè)到，得益于飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡的高分辨率成像；e，f 圖是純 TiO₂ 負(fù)載紅磷后的形貌，在飛納電鏡下，直接觀察到 TiO₂ 顆粒表面的介孔結(jié)構(gòu)完全消失，說明紅磷已經(jīng)成功引入進(jìn)介孔內(nèi)部。這些實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)都可以在飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射電鏡下直接觀察得到。b，d，f 圖的放大倍數(shù)都在二十萬倍，表面細(xì)節(jié)依然清晰可見。

a 圖為 P-TiO₂ 未循環(huán)時(shí)的 SEM 圖片，采用飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射電鏡拍攝，細(xì)節(jié)清晰可見；

b 圖為 P-TiO₂ 循環(huán)后的 SEM 圖片，采用飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射電鏡拍攝，與 a 圖對(duì)比，形貌沒有發(fā)生變化，表面 P-TiO₂ 材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這一結(jié)果可以直接在飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射電鏡下獲得。

采用飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射電鏡拍攝的 P-TiO₂ 和硬碳兩種材料的厚度對(duì)比，結(jié)果清晰可見。

總體來說，使用飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，能夠清晰地在電鏡下直接觀察到樣品表面的細(xì)節(jié)變化，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了最直接也最具有說服力的證據(jù)。而完整的高質(zhì)量梯度測(cè)試需要檢測(cè)大量樣品，對(duì)單個(gè)課題組而言，使用落地式電鏡的時(shí)間和金錢成本較高。

結(jié)論

由 TiO₂ 基體和紅 P 組成的無孔、塊體的非均相顆粒用作鈉離子電池負(fù)極時(shí)兼具高倍率、高體積比容量性能。在 TiO₂ 和紅 P 之間原位形成的三維磷酸鈦異質(zhì)界面，作為快速離子傳輸網(wǎng)絡(luò)，誘導(dǎo)固體顆粒內(nèi)部的贗電容性儲(chǔ)鈉。與商用硬碳材料相比，P-TiO₂ 復(fù)合材料的體積比容量提升了 2 倍。最為重要的是，觀察到的贗電容儲(chǔ)能行為歸因于非均相顆粒中的“固-固“界面，而不是傳統(tǒng)納米結(jié)構(gòu)電極的表面和近表面區(qū)域。

研究三

浙江大學(xué)吳浩斌老師與李子劍同學(xué)等人在國(guó)內(nèi)著名期刊Journal of Energy Chemistry中，發(fā)表名為 “Quasi-solid electrolyte membranes with percolated metal-organic frameworks for practical lithium-metal batteries” 的論文。《能源化學(xué)(英文)》 (Journal of Energy Chemistry) 是國(guó)際學(xué)術(shù)期刊，創(chuàng)立于 1992 年，現(xiàn)由中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所包信和院士和意大利 Messina 大學(xué)的 Gabriele Centi 教授共同擔(dān)任主編，編輯部設(shè)在中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，IF=7.18。

研究背景

鋰離子電池作為目前最成熟的儲(chǔ)能器件被廣泛使用，但傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池能量密度低，安全性差等問題，已經(jīng)嚴(yán)重制約了鋰電池的發(fā)展。所以，能量密度更高的鋰金屬電池再一次引起人們的重視，而其中，固態(tài)電解質(zhì)的研究更是直接決定了鋰金屬電池實(shí)際應(yīng)用的可能性。

文章簡(jiǎn)介

本文將金屬-有機(jī)框架（metal-organic frameworks，MOF）結(jié)合液態(tài)電解質(zhì)得到了導(dǎo)電納米顆粒，并與導(dǎo)電聚合物加以復(fù)合，得到一種柔性的準(zhǔn)固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)材料，在室溫有著超高的離子電導(dǎo)率，并成功地應(yīng)用在高壓鋰金屬電池。利用 SEM，TEM，固態(tài)核磁，CV 等表征手段，對(duì)復(fù)合電解質(zhì)膜進(jìn)行物理與化學(xué)性能的表征。其中 SEM 的表征非常重要，利用飛納臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)不同組分膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征與探究。

形貌表征

如圖所示，利用飛納電鏡得到的SEM圖片我們可以清楚的看到，隨著 MOF 含量的增加，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少，表明聚合物對(duì)于 MOF 孔道堵塞減少，這也可以解釋我們隨著 MOF 含量增加電導(dǎo)率增加的原因。

飛納電鏡機(jī)身小巧，抽真空速度快，操作簡(jiǎn)單的同時(shí)還可以保證非常高的清晰度，既節(jié)省繁瑣的制樣與操作時(shí)間，又保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

結(jié)論

本文最終得到了在室溫具有超高電導(dǎo)率（1.46×10^-3 S/cm）的柔性復(fù)合電解質(zhì)膜，并且成功應(yīng)用在高壓（4.5V）鈷酸鋰-鋰金屬電池當(dāng)中。并且，我們成功實(shí)現(xiàn)具有低 N / P 比（2.5）的厚 LiCoO₂ 正極（4 mAh cm^-2）的實(shí)用半固態(tài)鋰金屬電池，為商用鋰金屬電池固態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計(jì)提供了一種新的途徑。

掃描電鏡表征是科學(xué)研究中必不可少的一部分，過去這一關(guān)鍵表征步驟只能依賴高校分析測(cè)試中心的大型掃描電鏡進(jìn)行。有限的設(shè)備機(jī)時(shí)往往無法滿足繁重的測(cè)試需求，但很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果都需要盡快驗(yàn)證才能開展下一步研究。對(duì)于廣大師生而言，高效地進(jìn)行電鏡表征更有利于開展學(xué)術(shù)研究工作。飛納臺(tái)式掃描電鏡從誕生之初便致力于幫助研究人員提高掃描電鏡檢測(cè)效率，其操作便捷，成本低，無需特殊的安裝環(huán)境，不僅能獲得優(yōu)異的檢測(cè)效果，同時(shí)也極大地提高了研究人員熱情。