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2022-11-10

Journal of Power Sources 506(2021)230226

　　Li-CO?二次電池被視為下一代電力系統(tǒng)，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(guān)注。近日，青島科技大學(xué)化學(xué)與工程學(xué)院郭自洋教授課題組通過鋰金屬和乙二胺的自發(fā)反應(yīng)構(gòu)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(lián)，構(gòu)建四乙二醇二甲醚基聚合物電解質(zhì)（TPE）。通過LE層與TPE的協(xié)同作用有效的抑制了CO?對鋰負(fù)極的攻擊，一定程度保護(hù)了鋰負(fù)極，并且大大提高了Li- CO?電池的循環(huán)性能。該研究進(jìn)展發(fā)表在工程技術(shù)類國際刊物《Journal of Power Sources》上。島津分析中心應(yīng)用工程師黃軍飛參與Li- CO?電池結(jié)構(gòu)表征，采用島津SMX-225CT FPD HR完成了Li- CO?電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表征工作。

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，全球化石能源儲量日益減少，而且傳統(tǒng)化石能源在使用過程中會產(chǎn)生大量污染氣體，這些嚴(yán)重阻礙了社會的快速發(fā)展，可再生的新型能源（風(fēng)能、水能、地?zé)崮艿龋┮褢?yīng)勢快速發(fā)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(zhuǎn)換系統(tǒng)逐漸引起了人們廣泛的研究。在眾多的儲能系統(tǒng)中，Li- CO?電池因其不僅能吸收和利用CO?，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(guān)注。

　　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(xiàn)三明治結(jié)構(gòu)。圖1b和d進(jìn)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(fù)極和隔膜之間原位形成明顯的固態(tài)電解質(zhì)（TPE）層。此外，原位形成的TPE與負(fù)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(chǎn)生固態(tài)電解質(zhì)層，并且負(fù)極和隔膜之間的接觸也不緊密（圖1d）。這些結(jié)果表明，Micro-CT技術(shù)可以在不損壞電池結(jié)構(gòu)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(fù)極表面，這極大地抑制鋰負(fù)極上CO?的鈍化和粉化，從而降低電池阻抗，提高電池的循環(huán)性能。

圖1  CT表征Li- CO?電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus是一款高性能微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)，是采用島津自行研制的微焦點(diǎn)X射線發(fā)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(diǎn)X射線CT系統(tǒng)

　　無論是科研院校的材料及生物研究，還是工業(yè)正在研發(fā)的復(fù)合材料（GFRP、CFRTP）和大型鋁合金壓鑄件產(chǎn)品，這款儀器能夠完成用于多種樣品所需要的研究、開發(fā)和檢查的實(shí)驗(yàn)。

圖3 Li- CO?電池截面動畫

郭自洋教授，青島科技大學(xué)

文章通訊作者郭自洋教授表示：鋰金屬電極性質(zhì)活潑，易受外界環(huán)境的影響，并且其電池內(nèi)部電極材料結(jié)構(gòu)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(shè)備和技術(shù)支持。島津inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus對電池內(nèi)部形態(tài)進(jìn)行表征并三維可視化重建。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對電池材料的結(jié)構(gòu)直觀觀察和分析，彌補(bǔ)了其他方法的不足，是先進(jìn)材料表征手段的未來發(fā)展方向。