將鋰包裹在單個(gè)納米的密閉空間中，對(duì)于開(kāi)發(fā)高性能鋰金屬陽(yáng)極來(lái)說(shuō)，這是非常有趣和非常可取的。這項(xiàng)工作旨在了解Li封裝及其在一維封閉空間內(nèi)的受限生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的機(jī)制。為了達(dá)到這個(gè)目的，非晶態(tài)碳納米管被用作原位透射電子顯微鏡的模型宿主。碳?xì)泳哂须p重作用，提供幾何/力學(xué)約束和電子/離子傳輸通道，這極大地改變了鋰的生長(zhǎng)模式。Li的生長(zhǎng)/溶解是通過(guò)Li
+在電場(chǎng)方向上沿殼層擴(kuò)散，在自由表面添加/去除原子，從而形成不同尋常的Li結(jié)構(gòu)，如多晶納米線(xiàn)和獨(dú)立的二維超薄(1-2 nm) Li膜。這種限制的前沿生長(zhǎng)過(guò)程主要由Li{110}或{200}生長(zhǎng)面主導(dǎo)，這與納米管外單晶Li枝晶的根部生長(zhǎng)不同。控制實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)充分的氮/氧摻雜或預(yù)鋰化，使Li具有高的親硫性/滲透性，對(duì)于Li在aCNTs中的穩(wěn)定包裹至關(guān)重要。基于第一性原理的計(jì)算表明，N/O摻雜可以降低Li
+滲透的擴(kuò)散勢(shì)壘，并在能量最小化的驅(qū)動(dòng)下促進(jìn)Li填充，形成低能量的Li/C界面。
Figure 1. 單層非晶碳納米管內(nèi)鍍鋰和剝離。a)原位透射電鏡實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。b) 透射電鏡快照顯示了鋰化(b
2)和鋰填充在aCNT (b
3-7)中，以及由于短路(b
8)導(dǎo)致的最終擊穿。藍(lán)色箭頭表示沉積前緣。c)鍍時(shí)Li向下生長(zhǎng)(c
1-3)，鍍時(shí)Li從晶體兩側(cè)溶解(c
4-8)。建議的離子輸運(yùn)路徑用(b)和(c)中的黃色虛線(xiàn)箭頭表示。
Figure 2. 納米管內(nèi)多晶Li結(jié)構(gòu)的形成與結(jié)構(gòu)表征。a)在電鍍(a
1-3)和剝離(a
4-10)過(guò)程中Li段的形態(tài)演變，導(dǎo)致三晶Li芯納米線(xiàn)的形成。藍(lán)色箭頭表示鋰晶體之間的界面。b) (a)中的Li沉積/溶解過(guò)程示意圖，其中紅色虛線(xiàn)和黑色虛線(xiàn)分別表示Li
+離子和電子的傳輸途徑。c)通過(guò)傾斜試樣，Li包覆納米管的取向發(fā)生變化。d-f) (b)中圓形區(qū)域的SAED模式，以及對(duì)應(yīng)的暗場(chǎng)圖像，分別顯示單晶Li段A和B。g) HRTEM圖像取自(f)的盒狀區(qū)域，顯示Li(110)晶格條紋。
Figure 3. 封裝鋰晶體沉積前沿的晶體學(xué)鑒定。a-d)不同周期形成的晶體的前表面，分別為L(zhǎng)i{110}和{200}面。e-h)面和主前表面相互形成135°，分別識(shí)別為L(zhǎng)i{110}和{200}面。-k)主前面上的小面生長(zhǎng)和消失，均為L(zhǎng)i{110}面，角度為120°。白線(xiàn)表示每個(gè)納米管的前表面和徑向面之間的傾角。(b)、(d)、(h)、(k)表示封裝后的Li晶體的相應(yīng)衍射圖案。l){110}和{200}前表面的偏角分布。
Figure 4. a) Li納米晶的成核、生長(zhǎng)和粒子融合1-4。b)鋰晶須的快速生長(zhǎng)。c)生長(zhǎng)中的Li晶體在電子輻照下的表面圓縮。
Figure 5. DFT計(jì)算揭示了O/N摻雜使Li包封在aCNT中的機(jī)制。a-d)優(yōu)化DG+Li、N-DG+Li、O-DG+Li和N/O-DG+Li的結(jié)構(gòu)和結(jié)合能。e-h) DG、N-DG、O-DG和N/O-DG在垂直方向(路徑1)和面方向(路徑2)上的Li
+擴(kuò)散勢(shì)能曲線(xiàn)。i,j) Li
+通過(guò)逐步垂直擴(kuò)散通過(guò)碳層的示意圖。
相關(guān)研究工作由廈門(mén)大學(xué)Ming-Sheng Wang課題組于2021年發(fā)表在《ADVANCED MATERIALS》上。原文：Mechanistic Probing of Encapsulation and Confined Growth of Lithium Crystals in Carbonaceous Nanotubes。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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