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Nano Research:TEM原位视频下钠沉积过程中电化学奥斯瓦尔德熟化

日期:2022-07-28

奥斯瓦尔德熟化机制(Ostwald ripening)是晶体形核生长过程中的经典机制,Ostwald ripening过程和溶解再结晶过程不一样,通俗讲,该过程指的是晶体生长过程中大颗粒依靠摄取小颗粒进行竞争性生长。该过程的驱动力是粒子总表面积的减少产生的总界面自由能的降低。因为在形核初期,小颗粒能量较高,不稳定,在被大颗粒吸收后融合成较大的颗粒,系统能量更低,趋于稳定。而电化学奥斯瓦尔德熟化(Electrochemical Ostwald ripening,EOR)过程则包含电子和离子从较小的纳米晶转移、传输到大晶粒上。EOR会导致金属的非均匀沉积,这对金属离子电池、例如锂离子电池、钠离子电池的研究非常重要。


      燕山大学黄建宇老师课题组利用原位透射电子显微镜技术方法,研究了钠和锂的沉积过程,发现锂/钠金属在早期生长过程中存在电化学奥斯瓦尔德熟化过程(EOR)。钠、锂生长初期随机形核,然后生长,在生长的过程中小的颗粒会被大的颗粒吸收掉从而形成一个更大的晶粒。研究成果以“In situ observation of electrochemical Ostwald ripening during sodium deposition”为题目发表在《Nano Research》上,燕山大学黄建宇老师,张利强老师、唐永福老师为论文共同通讯作者,耿林(1/2)和刘秋男(2/2)是该论文的共同第一作者。原位链接:https://doi.org/10.1007/s12274-021-3861-6


原位透射电子显微镜技术方法

原位透射电子显微镜技术方法

图1本项研究中利用泽攸科技(ZepTools)的PicoFemto®系列原位TEM-STM样品杆搭建了原位测试环境。

图2 沉积在MWCNT/Na2CO3/CO2上的纳金属的EOR过程

图2 沉积在MWCNT/Na2CO3/CO2上的纳金属的EOR过程

图3 电化学奥斯瓦尔德熟化路径1

图3 电化学奥斯瓦尔德熟化路径1

图4 沉积在MWCNT/Na2CO3 or Li2CO3/CO2上的钠/锂金属的EOR过程

图4 沉积在MWCNT/Na2CO3 or Li2CO3/CO2上的钠/锂金属的EOR过程

图5 电化学奥斯瓦尔德熟化路径2

图5 电化学奥斯瓦尔德熟化路径2


      综上所述,研究人员在钠、锂的沉积过程研究中观察到了两种EOR路径,第一种(EOR1)是实验过程图1(a)&(b)所示的那样,大的晶粒和小的晶粒开始分别在相距较远的地方形核生长,电子和离子通过MWCNT传输从而消耗掉小的晶粒,实现大的晶粒逐渐变大。另外一种(EOR2)是实验过程图2(c)、(d)、(e)所示的那样,两三个钠或者锂颗粒紧挨通过直接接触传输电子和离子实现生长。随着大晶体的进一步生长,打破了纳米晶体接触点附近的Na2CO3 或 Li2CO3壳,随后的生长是化学Ostwald熟化。

图 实验过程中使用的原位TEM样品杆

图 实验过程中使用的原位TEM样品杆


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作者:泽攸科技