氧化锰原子尺度隧道结构中锂存储机制研究


发布时间:

2019-09-29

利用PicoFemto®原位样品杆发表的研究成果持续更新中,未来小编还将不断更新产品应用案例。错过之前报道的老师们也可以在公众号首页点击"往期文章"阅读。也欢迎大家关注公众号,这里有电子显微镜领域的前沿资讯、特别的实验方案和高水平研究成果,快来和小伙伴们一起开脑洞吧。

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隧道结构二氧化锰(MnO2)因其在多相催化,化学吸附,分子筛和离子交换中的潜在应用而备受关注。同时,因为其拥有较大的隧道结构,该材料也在电荷存储领域具有潜力。然而,Todorokite型氧化锰丰富的隧道异质性阻碍了人们对这一多型材料储能机制的准确理解。近日,东南大学徐峰、孙立涛研究团队联合北京大学和南京理工大学研究团队通过反复研究制备方法初步获得均匀的隧道结构MnO2纳米棒,并借助PicoFemto®原位样品杆在电镜内构建了电池模型,结合电子衍射、高分辨成像、电子能量损失谱,DFT 计算及相场模拟在纳米尺度下研究了该种纳米棒锂化和去锂化行为,并对锂存储机制进行深入分析。该成果以"Atomic-level tunnel engineering of todorokite MnO2 for precise evaluation of lithium storage mechanisms by in situ transmission electron microscopy"为题发表在《Nano Energy》上。(https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.06.036,Nano Energy 63 (2019) 103840)  

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图1 使用HAADF-STEM对隧道结构MnO2纳米棒进行结构鉴定和解析。  

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图2 原位研究 τ-MnO2 的锂化行为。

利用PicoFemto®STM-TEM Holder,研究人员将τ-MnO2纳米棒和Li@Li2O分别固定在半铜网及钨针尖上做为电池的两极并对准。为电池施加电压后,结合清晰的高分辨原位照片,研究人员发现了两种不同的Li+ 传输途径。首先,沿着纳米棒的纵向传播并导致了28.78%的径向膨胀。其次,由于锂化引起的膨胀在两个纳米棒之间产生了紧密的侧向接触点,使其产生了新的侧向传输路径。这种新的侧向锂传输路径使第2根纳米棒也表现出与 1根纳米棒相同的径向膨胀。同时,观察局部接触区域中纳米棒之间的Li+传输可清楚地表明Li+在锂化纳米棒内沿着a-c平面扩散。除此之外,研究人员还观察到了τ-MnO2原位脱锂过程中的结构演变。  

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图3 原位研究原位锂化过程中的结构演变。