中子深度剖析技术研究可充锂金属负极

郑国瑞 向宇轩 杨勇

引用本文: 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): 2008094-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008094 shu
Citation:  Zheng Guorui, Xiang Yuxuan, Yang Yong. Neutron Depth Profiling Technique for Studying Rechargeable Lithium Metal Anodes[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(1): 2008094-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202008094 shu

中子深度剖析技术研究可充锂金属负极

    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;
    通讯作者: 杨勇, yyang@xmu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21935009), 国家重点研发专项(2018YFB0905400)资助项目

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。

English

    1. [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. [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. [3]

      Markevich, E.; Salitra, G.; Chesneau, F.; Schmidt, M.; Aurbach, D. ACS Energy Lett. 2017, 2, 1321. doi: 10.1021/acsenergylett.7b00300

    4. [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. [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. [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. [7]

      Liu, W.; Lin, D.; Pei, A.; Cui, Y. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 15443. doi: 10.1021/jacs.6b08730

    8. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [15]

      Liu, D. X.; Co, A. C. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 231. doi: 10.1021/jacs.5b10295

    16. [16]

      Liu, D. X.; Cao, L. R.; Co, A. C. Chem. Mater. 2016, 28, 556. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b04039

    17. [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. [18]

      Tripathi, A. M.; Su, W. N.; Hwang, B. J. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 736. doi: 10.1039/c7cs00180k

    19. [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. [20]

      Verhallen, T. W.; Lv, S.; Wagemaker, M. Front. Energy Res. 2018, 6. doi: 10.3389/fenrg.2018.00062

    21. [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. [22]

      Wilson, W. D.; Haggmark, L. G.; Biersack, J. P. Phys. Rev. B 1977, 15, 2458. doi: 10.1103/PhysRevB.15.2458

    23. [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. [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. [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. [26]

      Downing, R. G.; Maki, J. T.; Fleming, R. F. J. Radioanal. Nucl. Chem. 1987, 112, 33. doi: 10.1007/BF02037274

    27. [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. [28]

      Zhang, X.; Verhallen, T. W.; Labohm, F.; Wagemaker, M. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500498. doi: 10.1002/aenm.201500498

    29. [29]

      Pei, A.; Zheng, G.; Shi, F.; Li, Y.; Cui, Y. Nano Lett. 2017, 17, 1132. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b04755

    30. [30]

      Jana, A.; García, R. E. Nano Energy 2017, 41, 552. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.08.056

    31. [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. [32]

      Brissot, C.; Rosso, M.; Chazalviel, J. N.; Lascaud, S. J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 4393. doi: 10.1149/1.1392649

    33. [33]

      Brissot, C.; Rosso, M.; Chazalviel, J. N.; Lascaud, S. J. Power Sources 1999, 8182, 925. doi: 10.1016/S0378-7753(98)00242-0

    34. [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. [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. [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. [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. [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. [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. [40]

      Liu, Y.; Lin, D.; Liang, Z.; Zhao, J.; Yan, K.; Cui, Y. Nat. Commun. 2016, 7, 10992. doi: 10.1038/ncomms10992

    41. [41]

      Varzi, A.; Raccichini, R.; Passerini, S.; Scrosati, B. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 17251. doi: 10.1039/C6TA07384K

    42. [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. [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. [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. [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. [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. [47]

      Ke, X.; Wang, Y.; Dai, L.; Yuan, C. Energy Storage Mater. 2020. doi: 10.1016/j.ensm.2020.07.024

    48. [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. [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. [50]

      Ketzer, B. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 2013, 732, 237. doi: 10.1016/j.nima.2013.08.027

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  53
  • HTML全文浏览量:  4
文章相关
  • 发布日期:  2021-01-15
  • 收稿日期:  2020-08-31
  • 接受日期:  2020-09-22
  • 修回日期:  2020-09-21
  • 网络出版日期:  2020-10-19
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章