前沿合作丨CT助力Li-CO₂二次电池循环性能研究获新进展
导 读
Journal of Power Sources 506(2021)230226
Li-CO₂二次电池被视为下一代电力系统，因其吸收利用二氧化碳的能力和超高的能量密度受到广泛关注。近日，青岛科技大学化学与工程学院郭自洋教授课题组通过锂金属和乙二胺的自发反应构建了锂-乙二胺(LE)层，并使之和电池中的四乙二醇二甲醚交联，构建四乙二醇二甲醚基聚合物电解质（TPE）。通过LE层与TPE的协同作用有效的抑制了CO₂对锂负极的攻击，一定程度保护了锂负极，并且大大提高了Li- CO₂电池的循环性能。该研究进展发表在工程技术类国际知名刊物《Journal of Power Sources》上。岛津分析中心应用工程师黄军飞参与Li- CO₂电池结构表征，采用岛津SMX-225CT FPD HR完成了Li- CO₂电池内部结构的表征工作。
Li- CO₂电池小科普
随着经济社会的高速发展，全球化石能源储量日益减少，而且传统化石能源在使用过程中会产生大量污染气体，这些严重阻碍了社会的快速发展，可再生的新型能源（风能、水能、地热能等）已应势快速发展。然而，这些能源受地域和气候因素影响，无法普遍推广。因此，高效的能量储存和转换系统逐渐引起了人们广泛的研究。在众多的储能系统中，Li- CO₂电池因其不仅能吸收和利用CO₂，而且能提供比目前锂离子电池高5倍以上的超高能量密度（1876 Wh kg-1）而受到广泛关注。
Li- CO₂电池TPE原位形成可视化
图1a和c是 通过对LE-Li/TPE基和Li/LQ基对称电池重建的三维（3D）显微CT，图像呈现三明治结构。图1b和d进一步显示了上述两个电池在不同x厚度下的z–y平面的横截面照片。如图1b所示，在LE-Li负极和隔膜之间原位形成明显的固态电解质（TPE）层。此外，原位形成的TPE与负极之间的接触非常紧密，这有利于提高锂离子传输。相反，基于Li/LQ的对称电池中几乎没有产生固态电解质层，并且负极和隔膜之间的接触也不紧密（图1d）。这些结果表明，Micro-CT技术可以在不损坏电池结构的情况下，可视化电池中TPE的原位形成。原位形成的TPE层，紧密地附着在锂负极表面，这极大地抑制锂负极上CO₂的钝化和粉化，从而降低电池阻抗，提高电池的循环性能。
图1 CT表征Li- CO₂电池内部结构
岛津CT，科研好帮手
inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus是一款高性能微焦点X射线CT系统，是采用岛津自行研制的微焦点X射线发生器和大型高分辨率平板检出器制造的仪器。
图2 SMX-225CT FPD HR Plus
微焦点X射线CT系统
无论是科研院校的材料及生物研究，还是工业正在研发的复合材料（GFRP、CFRTP）和大型铝合金压铸件产品，这款仪器能够完成用于多种样品所需要的研究、开发和检查的实验。
图3 Li- CO₂电池截面动画
专家心声
郭自洋教授，青岛科技大学
文章通讯作者郭自洋教授表示：锂金属电极性质活泼，易受外界环境的影响，并且其电池内部电极材料结构的变化对电池性能也有很大的影响。因此其形貌分析需要可靠的仪器设备和技术支持。岛津inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus对电池内部形态进行表征并三维可视化重建。该技术实现了对电池材料的结构直观观察和分析，弥补了其他方法的不足，是先进材料表征手段的未来发展方向。
撰稿人：黄军飞
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