物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (1): 2008094.doi: 10.3866/PKU.WHXB202008094
所属专题: 金属锂负极
收稿日期:
2020-08-31
录用日期:
2020-09-22
发布日期:
2020-10-19
通讯作者:
杨勇
E-mail:yyang@xmu.edu.cn
作者简介:
杨勇,厦门大学闽江计划特聘教授,博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者,现担任国际知名电池杂志《 Journal of Power Sources》主编。1992年获厦门大学理学博士学位,1997–1998年任英国牛津大学访问科学家。主要研究方向为能源电化学、材料物理化学及表面物理化学
基金资助:
Guorui Zheng, Yuxuan Xiang, Yong Yang()
Received:
2020-08-31
Accepted:
2020-09-22
Published:
2020-10-19
Contact:
Yong Yang
E-mail:yyang@xmu.edu.cn
About author:
Yang Yong. E-mail:yyang@xmu.edu.cn; Tel.: +86-592-2185753Supported by:
摘要:
可充锂金属负极严重的界面不稳定性和安全问题极大限制了其商业化应用,对于锂的沉积/溶出行为以及锂枝晶的成核生长机理的清楚认识将有利于更高效的可充锂金属负极改性研究。然而,由于锂金属的高反应活性所带来的产物复杂性及其形貌多样性给原位谱学表征带来了诸多的困难。中子深度剖析(Neutron Depth Profiling,NDP)技术由于其高穿透特性、定量非破坏性、且对锂的高灵敏性,在实时研究锂金属电池中锂的电化学行为上显示出广阔的应用前景。本文首先简要介绍了NDP技术的测试原理及提高其空间/时间分辨率的方法,同时总结分析了近年来NDP技术在液态/固态电池体系中锂金属负极研究的应用,并展望了NDP技术今后的发展前景。
郑国瑞, 向宇轩, 杨勇. 中子深度剖析技术研究可充锂金属负极[J]. 物理化学学报, 2021, 37(1), 2008094. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008094
Guorui Zheng, Yuxuan Xiang, Yong Yang. Neutron Depth Profiling Technique for Studying Rechargeable Lithium Metal Anodes[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37(1), 2008094. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008094
表1
中子深度剖析技术在探测不同元素时所发生的中子俘获反应19"
Element | Abundance/% | Energies of particles formed/keV | Cross section/b |
3He | 0.00014 | p (572) + 3H (191) | 5333 |
6Li | 7.5 | 3H (2727) + 4He (2055) | 940 |
7Be | Radioactive | p (1438) + 7Li (207) | 48000 |
10B | 19.9 | 4He (1472) + 7Li (840) + y [93.7%] 4He (1777) + 7Li (1013) [6.3%] | 3837 |
14N | 99.6 | 14C (42) + p (584) | 1.83 |
17O | 0.038 | 14C (404) + 4He (1413) | 0.24 |
22Na | Radioactive | 22Ne (103) + p (2247) | 31000 |
33S | 0.75 | 30Si (411) + 4He (3081) | 0.19 |
35Cl | 75.8 | 35S (17) + p (598) | 0.49 |
40K | 0.012 | 40Ar (56) + p (2231) | 4.4 |
59Ni | Radioactive | 56Fe (340) + 4He (4757) | 12.3 |
1 |
Xu W. ; Wang J. ; Ding F. ; Chen X. ; Nasybulin E. ; Zhang Y. ; Zhang J. G. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 513.
doi: 10.1039/c3ee40795k |
2 |
Qian J. ; Henderson W. A. ; Xu W. ; Bhattacharya P. ; Engelhard M. ; Borodin O. ; Zhang J. G. Nat. Commun. 2015, 6, 6362.
doi: 10.1038/ncomms7362 |
3 |
Markevich E. ; Salitra G. ; Chesneau F. ; Schmidt M. ; Aurbach D. ACS Energy Lett. 2017, 2, 1321.
doi: 10.1021/acsenergylett.7b00300 |
4 |
Zheng J. ; Engelhard M. H. ; Mei D. ; Jiao S. ; Polzin B. J. ; Zhang J. G. ; Xu W. Nat. Energy 2017, 2, 17012.
doi: 10.1038/nenergy.2017.12 |
5 |
Luo W. ; Gong Y. ; Zhu Y. ; Li Y. ; Yao Y. ; Zhang Y. ; Fu K. K. ; Pastel G. ; Lin C. F. ; Mo Y. ; Wachsman E. D. ; Hu L. Adv. Mater. 2017, 29, 1606042.
doi: 10.1002/adma.201606042 |
6 |
Wang C. ; Gong Y. ; Liu B. ; Fu K. ; Yao Y. ; Hitz E. ; Li Y. ; Dai J. ; Xu S. ; Luo W. ; Wachsman E. D. ; Hu L. Nano Lett. 2017, 17, 565.
doi: 10.1021/acs.nanolett.6b04695 |
7 |
Liu W. ; Lin D. ; Pei A. ; Cui Y. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15443.
doi: 10.1021/jacs.6b08730 |
8 |
Zachman M. J. ; Tu Z. ; Choudhury S. ; Archer L. A. ; Kourkoutis L. F. Nature 2018, 560, 345.
doi: 10.1038/s41586-018-0397-3 |
9 |
Chang H. J. ; Trease N. M. ; Ilott A. J. ; Zeng D. ; Du L. S. ; Jerschow A. ; Grey C. P. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 16443.
doi: 10.1021/acs.jpcc.5b03396 |
10 |
Chang H. J. ; Ilott A. J. ; Trease N. M. ; Mohammadi M. ; Jerschow A. ; Grey C. P. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15209.
doi: 10.1021/jacs.5b09385 |
11 |
Ilott A. J. ; Mohammadi M. ; Chang H. J. ; Grey C. P. ; Jerschow A. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2016, 113, 10779.
doi: 10.1073/pnas.1607903113 |
12 |
Lv S. ; Verhallen T. ; Vasileiadis A. ; Ooms F. ; Xu Y. ; Li Z. ; Li Z. ; Wagemaker M. Nat. Commun. 2018, 9, 2152.
doi: 10.1038/s41467-018-04394-3 |
13 |
Nagpure S. C. ; Downing R. G. ; Bhushan B. ; Babu S. S. ; Cao L. Electrochim. Acta 2011, 56, 4735.
doi: 10.1016/j.electacta.2011.02.037 |
14 |
Wetjen M. ; Trunk M. ; Werner L. ; Gernhäuser R. ; Märkisch B. ; Révay Z. ; Gilles R. ; Gasteiger H. A. J. Electrochem. Soc. 2018, 165, A2340.
doi: 10.1149/2.1341810jes |
15 |
Liu D. X. ; Co A. C. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 231.
doi: 10.1021/jacs.5b10295 |
16 |
Liu D. X. ; Cao L. R. ; Co A. C. Chem. Mater. 2016, 28, 556.
doi: 10.1021/acs.chemmater.5b04039 |
17 |
Yang Y. ; Liu X. ; Dai Z. ; Yuan F. ; Bando Y. ; Golberg D. ; Wang X. Adv. Mater. 2017, 29
doi: 10.1002/adma.201606922 |
18 |
Tripathi A. M. ; Su W. N. ; Hwang B. J. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 736.
doi: 10.1039/c7cs00180k |
19 |
Downing R. G. ; Lamaze G. P. ; Langland J. K. ; Hwang S. T. J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 1993, 98, 109.
doi: 10.6028/jres.098.008 |
20 |
Verhallen T. W. ; Lv S. ; Wagemaker M. Front. Energy Res. 2018, 6
doi: 10.3389/fenrg.2018.00062 |
21 |
Oudenhoven J. F. ; Labohm F. ; Mulder M. ; Niessen R. A. ; Mulder F. M. ; Notten P. H. Adv. Mater. 2011, 23, 4103.
doi: 10.1002/adma.201101819 |
22 |
Wilson W. D. ; Haggmark L. G. ; Biersack J. P. Phys. Rev. B 1977, 15, 2458.
doi: 10.1103/PhysRevB.15.2458 |
23 |
Ziegler J. F. ; Ziegler M. D. ; Biersack J. P. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 2010, 268, 1818.
doi: 10.1016/j.nimb.2010.02.091 |
24 |
Danilov D. L. ; Chen C. ; Jiang M. ; Eichel R. A. ; Notten P. H. L. Radiat. Eff. Defects Solids 2020, 175, 367.
doi: 10.1080/10420150.2019.1701468 |
25 |
Maki J. T. ; Fleming R. F. ; Vincent D. H. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 1986, 17, 147.
doi: 10.1016/0168-583x(86)90077-7 |
26 |
Downing R. G. ; Maki J. T. ; Fleming R. F. J. Radioanal. Nucl. Chem. 1987, 112, 33.
doi: 10.1007/BF02037274 |
27 |
Linsenmann F. ; Trunk M. ; Rapp P. ; Werner L. ; Gernhäuser R. ; Gilles R. ; Märkisch B. ; Révay Z. ; Gasteiger H. A. J. Electrochem. Soc. 2020, 167, 100554.
doi: 10.1149/1945-7111/ab9b20 |
28 |
Zhang X. ; Verhallen T. W. ; Labohm F. ; Wagemaker M. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500498.
doi: 10.1002/aenm.201500498 |
29 |
Pei A. ; Zheng G. ; Shi F. ; Li Y. ; Cui Y. Nano Lett. 2017, 17, 1132.
doi: 10.1021/acs.nanolett.6b04755 |
30 |
Jana A. ; García R. E. Nano Energy 2017, 41, 552.
doi: 10.1016/j.nanoen.2017.08.056 |
31 |
Brissot C. ; Rosso M. ; Chazalviel J. N. ; Baudry P. ; Lascaud S. Electrochim. Acta 1998, 43, 1569.
doi: 10.1016/S0013-4686(97)10055-X |
32 |
Brissot C. ; Rosso M. ; Chazalviel J. N. ; Lascaud S. J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 4393.
doi: 10.1149/1.1392649 |
33 |
Brissot C. ; Rosso M. ; Chazalviel J. N. ; Lascaud S. J. Power Sources 1999, 81-82, 925.
doi: 10.1016/S0378-7753(98)00242-0 |
34 |
Teyssot A. ; Belhomme C. ; Bouchet R. ; Rosso M. ; Lascaud S. ; Armand M. J. Electroanal. Chem. 2005, 584, 70.
doi: 10.1016/j.jelechem.2005.01.037 |
35 |
Yin X. ; Tang W. ; Jung I. D. ; Phua K. C. ; Adams S. ; Lee S. W. ; Zheng G. W. Nano Energy 2018, 50, 659.
doi: 10.1016/j.nanoen.2018.06.003 |
36 |
Thirumalraj B. ; Hagos T. T. ; Huang C. J. ; Teshager M. A. ; Cheng J. H. ; Su W. N. ; Hwang B. J. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 18612.
doi: 10.1021/jacs.9b10195 |
37 |
Hou L. P. ; Zhang X. Q. ; Li B. Q. ; Zhang Q. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15109.
doi: 10.1002/anie.202002711 |
38 |
Liu M. ; Cheng Z. ; Qian K. ; Verhallen T. ; Wang C. ; Wagemaker M. Chem. Mater. 2019, 31, 4564.
doi: 10.1021/acs.chemmater.9b01325 |
39 |
Zheng G. ; Xiang Y. ; Chen S. ; Ganapathy S. ; Verhallen T. W. ; Liu M. ; Zhong G. ; Zhu J. ; Han X. ; Wang W. ; et al Energy Storage Mater. 2020, 29, 377.
doi: 10.1016/j.ensm.2019.12.027 |
40 |
Liu Y. ; Lin D. ; Liang Z. ; Zhao J. ; Yan K. ; Cui Y. Nat. Commun. 2016, 7, 10992.
doi: 10.1038/ncomms10992 |
41 |
Varzi A. ; Raccichini R. ; Passerini S. ; Scrosati B. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 17251.
doi: 10.1039/C6TA07384K |
42 |
Mauger A. ; Armand M. ; Julien C. M. ; Zaghib K. J. Power Sources 2017, 353, 333.
doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.04.018 |
43 |
Tomandl I. ; Vacik J. ; Kobayashi T. ; Mora Sierra Y. ; Hnatowicz V. ; Lavreniev V. ; Horak P. ; Ceccio G. ; Cannavo A. ; Baba M. ; et al Radiat. Eff. Defects Solids 2020, 175, 394.
doi: 10.1080/10420150.2019.1701471 |
44 |
Wang C. ; Gong Y. ; Dai J. ; Zhang L. ; Xie H. ; Pastel G. ; Liu B. ; Wachsman E. ; Wang H. ; Hu L. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 14257.
doi: 10.1021/jacs.7b07904 |
45 |
Li Q. ; Yi T. ; Wang X. ; Pan H. ; Quan B. ; Liang T. ; Guo X. ; Yu X. ; Wang H. ; Huang X. ; et al Nano Energy 2019, 63, 103895.
doi: 10.1016/j.nanoen.2019.103895 |
46 |
Porz L. ; Swamy T. ; Sheldon B. W. ; Rettenwander D. ; Frömling T. ; Thaman H. L. ; Berendts S. ; Uecker R. ; Carter W. C. ; Chiang Y. M. Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1701003.
doi: 10.1002/aenm.201701003 |
47 |
Ke X. ; Wang Y. ; Dai L. ; Yuan C. Energy Storage Mater. 2020,
doi: 10.1016/j.ensm.2020.07.024 |
48 |
Han F. ; Westover A. S. ; Yue J. ; Fan X. ; Wang F. ; Chi M. ; Leonard D. N. ; Dudney N. J. ; Wang H. ; Wang C. Nat. Energy 2019, 4, 187.
doi: 10.1038/s41560-018-0312-z |
49 |
Ping W. ; Wang C. ; Lin Z. ; Hitz E. ; Yang C. ; Wang H. ; Hu L. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000702.
doi: 10.1002/aenm.202000702 |
50 |
Ketzer B. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 2013, 732, 237.
doi: 10.1016/j.nima.2013.08.027 |
[1] | 薛国勇, 李静, 陈俊超, 陈代前, 胡晨吉, 唐凌飞, 陈博文, 易若玮, 沈炎宾, 陈立桅. 单离子聚合物快离子导体[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2205012 -0 . |
[2] | 屈卓研, 张笑银, 肖茹, 孙振华, 李峰. 有机硫化合物在锂硫电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2301019 -0 . |
[3] | 刘元凯, 余涛, 郭少华, 周豪慎. 高性能硫化物基全固态锂电池设计:从实验室到实用化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2301027 -0 . |
[4] | 彭林峰, 余创, 魏超超, 廖聪, 陈帅, 张隆, 程时杰, 谢佳. 锂硫银锗矿固态电解质研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(7): 2211034 -0 . |
[5] | 王匡宇, 刘凯, 伍晖. 基于固态电解质的熔融碱金属电池研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2301009 - . |
[6] | 朱迎迎, 王勇, 徐淼, 吴勇民, 汤卫平, 朱地, 何雨石, 马紫峰, 李林森. 追踪锂金属负极的压力与形貌变化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(1): 2110040 -0 . |
[7] | 张威, 梁海琛, 朱科润, 田泳, 刘瑶, 陈佳音, 李伟. 三维大孔/介孔碳-碳化钛复合材料用于无枝晶锂金属负极[J]. 物理化学学报, 2022, 38(6): 2105024 - . |
[8] | 何子旭, 陈亚威, 黄凡洋, 揭育林, 李新鹏, 曹瑞国, 焦淑红. 氟代溶剂在锂金属电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(11): 2205005 - . |
[9] | 康丹苗, NoamHart, 肖沐野, JohnP. Lemmon. 锂金属电池研究中对称电池的短路现象[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2008013 - . |
[10] | 吴晨, 周颖, 朱晓龙, 詹忞之, 杨汉西, 钱江锋. 锂金属电池用高浓度电解液体系研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2008044 - . |
[11] | 赵雨萌, 任凌霄, 王澳轩, 罗加严. 锂金属电池中的复合负极[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2008090 - . |
[12] | 张云博, 林乔伟, 韩俊伟, 韩志远, 李曈, 康飞宇, 杨全红, 吕伟. 细菌纤维素衍生的三维碳集流体用于无枝晶的锂金属负极[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2008088 - . |
[13] | 关俊, 李念武, 于乐. 人工界面层在金属锂负极中的应用[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2009011 - . |
[14] | 钱华明, 李喜飞. 功能化固态电解质膜改性锂金属负极的研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2008092 - . |
[15] | 王志达, 冯元宬, 卢松涛, 王锐, 秦伟, 吴晓宏. 利用原位氟化保护层改善三维锡锂合金/碳纸负极贫电解液下性能[J]. 物理化学学报, 2021, 37(2): 2008082 - . |
|