前沿合作丨CT助力Li-CO2二次電池循環性能研究獲新進展
導 讀
Journal of Power Sources 506(2021)230226
Li-CO2二次電池被視為下一代電力系統，因其吸收利用二氧化碳的能力和超高的能量密度受到廣泛關注。近日，青島科技大學化學與工程學院郭自洋教授課題組通過鋰金屬和乙二胺的自發反應構建了鋰-乙二胺(LE)層，并使之和電池中的四乙二醇二甲醚交聯，構建四乙二醇二甲醚基聚合物電解質（TPE）。通過LE層與TPE的協同作用有效的抑制了CO2對鋰負極的攻擊，一定程度保護了鋰負極，并且大大提高了Li- CO2電池的循環性能。該研究進展發表在工程技術類國際知名刊物《Journal of Power Sources》上。島津分析中心應用工程師黃軍飛參與Li- CO2電池結構表征，采用島津SMX-225CT FPD HR完成了Li- CO2電池內部結構的表征工作。
Li- CO2電池小科普
隨著經濟社會的高速發展，全球化石能源儲量日益減少，而且傳統化石能源在使用過程中會產生大量污染氣體，這些嚴重阻礙了社會的快速發展，可再生的新型能源（風能、水能、地熱能等）已應勢快速發展。然而，這些能源受地域和氣候因素影響，無法普遍推廣。因此，高效的能量儲存和轉換系統逐漸引起了人們廣泛的研究。在眾多的儲能系統中，Li- CO2電池因其不僅能吸收和利用CO2，而且能提供比目前鋰離子電池高5倍以上的超高能量密度（1876 Wh kg-1）而受到廣泛關注。
Li- CO2電池TPE原位形成可視化
圖1a和c是通過對LE-Li/TPE基和Li/LQ基對稱電池重建的三維（3D）顯微CT，圖像呈現三明治結構。圖1b和d進一步顯示了上述兩個電池在不同x厚度下的z–y平面的橫截面照片。如圖1b所示，在LE-Li負極和隔膜之間原位形成明顯的固態電解質（TPE）層。此外，原位形成的TPE與負極之間的接觸非常緊密，這有利于提高鋰離子傳輸。相反，基于Li/LQ的對稱電池中幾乎沒有產生固態電解質層，并且負極和隔膜之間的接觸也不緊密（圖1d）。這些結果表明，Micro-CT技術可以在不損壞電池結構的情況下，可視化電池中TPE的原位形成。原位形成的TPE層，緊密地附著在鋰負極表面，這極大地抑制鋰負極上CO2的鈍化和粉化，從而降低電池阻抗，提高電池的循環性能。
圖1 CT表征Li- CO2電池內部結構
島津CT，科研好幫手
inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus是一款高性能微焦點X射線CT系統，是采用島津自行研制的微焦點X射線發生器和大型高分辨率平板檢出器制造的儀器。
圖2 SMX-225CT FPD HR Plus
微焦點X射線CT系統
無論是科研院校的材料及生物研究，還是工業正在研發的復合材料（GFRP、CFRTP）和大型鋁合金壓鑄件產品，這款儀器能夠完成用于多種樣品所需要的研究、開發和檢查的實驗。
圖3 Li- CO2電池截面動畫
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專家心聲
文章通訊作者郭自洋教授表示：鋰金屬電極性質活潑，易受外界環境的影響，并且其電池內部電極材料結構的變化對電池性能也有很大的影響。因此其形貌分析需要可靠的儀器設備和技術支持。島津inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus對電池內部形態進行表征并三維可視化重建。該技術實現了對電池材料的結構直觀觀察和分析，彌補了其他方法的不足，是先進材料表征手段的未來發展方向。
撰稿人：黃軍飛
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