王鸣生课题组在储能材料设计及原位TEM表征领域取得系列进展

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为了进一步提高锂离子电池（LIBs）能量密度和解决其安全性问题，全固态锂电池（ASSLBs）已成为当前学术界和工业界的关注热点。虽然ASSLBs与使传统的LIBs相比具有一定的优势，但其实际应用仍面临诸多挑战。深入研究电极、固态电解质材料及其电极/固态电解质固/固界面在工况下的化学组成、物相结构/力学性能的测量、演化及调控机制研究，是解决这些挑战的必要条件。尤其需要阐明固/固界面、锂枝晶生长机理、电池阻抗增加原因以及循环过程中电极和固态电解质及其界面的化学和结构演变的动态过程，揭示界面的组成、结构及力学性质对循环过程界面稳定性及电池性能的影响及作用机制。近年兴起的具有高时/空分辨率的原位TEM为上述问题的研究提供了强有力工具，可实现纳米甚至原子尺度上的精准表征，具有实时、动态监测电极材料在工况下的结构、形貌、物相以及表/界面处的原子级结构和成分变化的独特优势。

        近日，王鸣生教授团队联合燕山大学黄建宇教授团队全面归纳总结了原位TEM技术应用于深入理解ASSLBs领域的最新研究进展。全篇涵盖了各种正极材料和锂金属负极的原位TEM研究，包括微观结构，化学成分与物相演变以及相应的电化学-机械耦合现象。同时也对固态电解质材料及电极/固态电解质界面的化学成分，微观结构和物相演变机理进行了详细总结。最后，作者对目前原位TEM存在的问题和对应用原位TEM技术研究全固态锂金属未来发展方向进行了展望和思考。
       相关成果以“Understanding all solid-state lithium batteries through in situ transmission electron microscopy”为题发表于Materials Today。王鸣生教授课题组博士生程勇和燕山大学张利强教授为本文的共同第一作者，张桥保副教授、王鸣生教授和黄建宇教授为本文共同通讯作者。
       此外, 王鸣生教授课题组近期还在储能负极材料设计、原位电镜表征及储能机理研究方面取得其他系列进展（王鸣生教授和张桥保副教授为以下工作共同通讯作者）。
       采用原位TEM和DFT理论计算，首次揭示了原子尺度下碳包覆Sb2S3单晶纳米线（Sb2S3@C）嵌钾-脱钾过程中的结构、形貌、物相的动态演化行为。结果表明Sb2S3的钾化过程涉及了多步反应，包括快速的插层和转化反应及两步合金化反应。其脱钾过程中的合金和转化反应是可逆的，与其他金属硫化物显著不同。此外，在合金化反应中首次观察到了类似火箭喷射的固态颗粒生长现象。（Advanced Functional Materials 2020, 2005417, 课题组博士生程勇与哈佛大学/多伦多大学姚振鹏博士为本文共同第一作者。）
        设计并合成了一种新型的氮磷共掺杂空心碗状碳（N/P-HPCB），用作PIBs的负极材料，并表现出优异电化学性能。结合原位/非原位TEM、拉曼光谱和DFT计算，揭示了N/P-HPCB电极的K+储存机理和优异性能的起源。（Advanced Functional Materials 2020, 2007158, 课题组硕士生陈嘉敏和博士生程勇为本文共同第一作者。）
       设计了一种非晶磷化铁（FeP）纳米颗粒封装在超薄3D交联的磷掺杂多孔碳纳米片中（FeP@CNs）的包埋型复合结构，表现出高的可逆比容量以及优异的倍率和长循环稳定性。利用原位TEM和DFT理论计算研究了纳米颗粒和3D碳骨架间相互作用，并揭示了其结构稳定的微观成因。（ACS Nano, 2020,14, 9545, 课题组博士生郑志明和北京科技大学吴宏辉副教授为本文共同第一作者。）


       Materials Today论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1369702120303084
       Advanced Functional Materials论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202005417
       Advanced Functional Materials论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202007158
       ACS Nano论文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.9b08575
       王鸣生教授课题组网站：http://mswang.xmu.edu.cn


      文章来源：厦门大学
      王鸣生博士，福建省闽江学者特聘教授，厦门大学博士生导师、全国百篇优秀博士学位论文奖及福建省“百人计划”入选者，主要从事低维电子与能源材料的原位电镜（in-situ TEM/SEM）表征及相关器件研究。长期以来致力于利用原位电镜技术（In-situ TEM/SEM）对低维电子和能源材料进行“结构创建—过程观察—物性测量—器件表征”的一体化研究。
       黄建宇，燕山大学教授，博士师生导师。1996年博士毕业于中科院金属研究所；1996年至1999年间，于日本国家无机材料研究所、日本大阪大学先后任职；1999年至2001年间，于美国洛斯阿拉莫斯国家实验室做博士后；2002年至2012年间，于美国波斯顿学院、美国桑迪亚国家实验室纳米科技综合中心先后做研究员，2012年至今，于燕山大学亚稳态制备技术与科学国家重点实验室做教授。一直以来以电子显微镜为主要研究手段，从事纳米科学与能源科学研究工作20多年，主要研究方向有：纳米力学；纳米电池；热/热电材料；发光材料等。研究成果在《Nature》、《Science》、《Physical Review Letters》、《Nature Nanotechnology》、《Nature Communications》、《Nature Methods》、《PNAS》、《Nano Letters》等国际顶刊杂志上发表，共发表论文204篇，h因子为67，总引用次数超过15000次，在各种专业学术会议上发表特邀报告80多次。其在纳米力学行为和纳米电源方面的研究成果得到世界同行专家的一致认同，受到《纽约时报》等大众媒体的关注。