基于全場透射顯微術的上海光源納米三維成像線站BL18B具有三維結(jié)構(gòu)成像分析上的獨特優(yōu)勢，能夠為納米材料、能源、環(huán)境等眾多領域提供最先進的納米結(jié)構(gòu)表征和研究手段。該線站主要實驗方法包括透射X射線顯微鏡(TXM)、納米CT和譜學成像等。近日，用戶先后在二維納米復合材料、全固態(tài)鋰金屬電池研究領域取得重要進展。
 

　　納米CT技術助力二維納米復合材料連續(xù)化制備及骨再生應用研究。石墨烯、碳化鈦MXene等二維納米材料具有優(yōu)異的力學、電學、光熱轉(zhuǎn)換和生物相容性，在航空航天、柔性電子、生物醫(yī)學等領域具有重要應用前景。如何將二維納米材料連續(xù)化組裝成宏觀高性能納米復合材料，是實現(xiàn)這些應用亟需解決的關鍵科學問題。北京航空航天大學化學學院程群峰教授課題組和北京大學口腔醫(yī)學院鄧旭亮教授課題組在二維納米復合材料連續(xù)化制備及骨再生應用研究領域取得了最新進展。團隊聯(lián)合提出了卷對卷輔助刮涂結(jié)合有序界面交聯(lián)的新策略，規(guī)模化制備了有序交聯(lián)的MXene(S-SBM)薄膜。相關成果以《Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis》為題于2024年10月30日發(fā)表在《Nature》雜志上。該薄膜的納米CT重構(gòu)結(jié)果表明，S-SBM薄膜相比未交聯(lián)MXene(S-MXene)薄膜具有更小的孔隙率，聯(lián)合廣角X射線散射結(jié)果，證實有序交聯(lián)過程可以抑制MXene納米片在干燥過程中的毛細收縮，從而規(guī)整密實組裝MXene納米片。此外，循環(huán)拉伸前后MXene薄膜的納米CT重構(gòu)(圖h)結(jié)果首次證實了有序界面交聯(lián)作用可以大幅抑制二維納米復合材料內(nèi)的裂紋擴展。這項研究解決了高性能二維納米復合材料連續(xù)化制備的長期挑戰(zhàn)，為其他二維納米材料的高性能規(guī)模化組裝及應用研究提供了新思路。
 

　　圖a,b右圖為根據(jù)納米CT結(jié)果得到的S-MXene(a)和S-SBM(b)薄膜的三維重構(gòu)結(jié)果。圖h為循環(huán)拉伸前后MXene薄膜的納米CT重構(gòu)結(jié)果，首次證實了有序界面交聯(lián)作用可以大幅抑制二維納米復合材料內(nèi)的裂紋擴展。
 

　　譜學成像技術助力基于PEO固態(tài)電解質(zhì)的高能量全固態(tài)鋰金屬電池研究。全固態(tài)鋰金屬電池(ASSLBs)使用聚合物作為電解質(zhì)，被廣泛認為是實現(xiàn)高能量密度和提高安全性的最具有前景的系統(tǒng)。哈工大王家鈞課題組在實驗中通過引入具有強電子吸引能力的Mg2+和Al3+，與醚氧(EO)鍵有效配位，從而降低其對高價鎳的溶劑化能力，減弱PEO基聚合物電解質(zhì)與正極材料之間的界面相互作用。PEO-Mg-Al-LiTFSI電解質(zhì)展現(xiàn)出優(yōu)異的氧化穩(wěn)定性，抗氧化能力超過5.0 V，同時在室溫下實現(xiàn)了0.23 mS cm-1的離子電導率。實驗結(jié)果表明，這種改性的固態(tài)電解質(zhì)組裝的全固態(tài)鋰金屬可穩(wěn)定循環(huán)300次，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性和較低的界面阻抗。PEO-Mg-Al-LiTFSI組裝的固態(tài)鋰金屬電池可穩(wěn)定循環(huán)300次。PEO-Mg-Al-LiTFSI固態(tài)電解質(zhì)所組裝的軟包電池展現(xiàn)出高達586 Wh/kg-1的能量密度，且在50次循環(huán)后容量保持率為80.8%。研究團隊對固態(tài)電池正極顆粒的Ni元素進行了價態(tài)變化的同步輻射譜學成像方法表征。研究了不同電壓范圍內(nèi)固態(tài)和液態(tài)電池沿各個方向發(fā)生的氧化還原反應以及電解質(zhì)與富鎳陰極之間的相互作用，揭示了高電壓固態(tài)電池界面失效機制。通過優(yōu)化Lewis酸與醚氧(EO)之間的配位，可提高聚合物固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率與電池內(nèi)部的界面穩(wěn)定性，探索其他類型的配位離子或功能化聚合物，也可以進一步提升聚合物固態(tài)電解質(zhì)在極端條件下的電化學性能。這項研究為設計先進聚合物固態(tài)電解質(zhì)開啟了新的思路。相關成果以《Strong Lewis-acid coordinated PEO electrolyte achieves 4.8 V-class all-solid-state batteries over 580Wh kg-1》為題發(fā)表在2024年10月23日的《Nature Communications》雜志上。
 

　　圖 a和b中的二維化學態(tài)相圖展示了PEO-LiTFSI和PEO-Mg- Al-LiTFSI 中的 Ni83 粒子(放電態(tài))在循環(huán)后吸收邊能量的偏移。表明了Lewis酸配位效應提高了界面穩(wěn)定性，促進了界面 Li+ 的傳輸和 SOC(State of Charge)的均勻性。