上海交大教師謝宇俊science子刊發(fā)文揭示低溫液態(tài)電解質(zhì)的空間分辨結(jié)構(gòu)有序

近日，上海交通大學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院教師謝宇俊和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室王旌陽(yáng)作為共同第一作者，在國(guó)際頂級(jí)期刊science advances上發(fā)表題為"spatially resolved structural order in low-temperature liquid electrolyte"的科研論文。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種綜合實(shí)驗(yàn)方法，將液相透射電子顯微鏡(tem)，低溫tem，四維掃描tem(4d-stem)和基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)分析等技術(shù)相結(jié)合，解析出了碳酸二乙酯有機(jī)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)有序度。其中低溫液相分離的現(xiàn)象也揭示了電解液的高鹽濃度區(qū)域存在短程有序(sro)富有區(qū)域。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的colin ophus, peter ercius, 鄭海梅教授作為通訊作者。

了解材料在不同尺度下的結(jié)構(gòu)順序?qū)τ诳刂破湮锢硇再|(zhì)至關(guān)重要。在小于5 ?的sro范圍內(nèi)，人們發(fā)現(xiàn)許多非晶態(tài)固體存在原子相關(guān)性。越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了sro的存在并揭示了其對(duì)導(dǎo)電、離子輸運(yùn)、機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)晶過(guò)程的重要影響。然而，盡管在固體中通過(guò)使用tem實(shí)現(xiàn)了sro的直接成像、在液體中通過(guò)使用x射線觀察到了結(jié)構(gòu)順序，但由于液體對(duì)電子束的高靈敏度和構(gòu)成液體的低原子序數(shù)元素的弱散射，在類似空間尺度下尚未實(shí)現(xiàn)在液體中的sro觀察。

圖1 1m lipf6在碳酸乙烯:碳酸二乙酯1:1中的混合方法和高角度環(huán)形暗場(chǎng)stem圖像示意圖。? 2023 the author(s)

鋰離子電池中的液體電解質(zhì)是一類重要的材料，其宏觀性質(zhì)與其組分（鹽離子和溶劑分子）的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。例如，在高鹽濃度的電解質(zhì)中，鹽的陽(yáng)離子和陰離子傾向于高度結(jié)合并形成超結(jié)構(gòu)，如聚合體，從而提高界面穩(wěn)定性和庫(kù)侖效率；這種超結(jié)構(gòu)也導(dǎo)致離子電導(dǎo)率降低，粘度增加，類似于鋰離子電池在0℃以下的低溫性能。這些發(fā)現(xiàn)再次強(qiáng)調(diào)了在分子水平上理解結(jié)構(gòu)順序及其在介觀尺度上的空間范圍的必要性。此外，結(jié)構(gòu)有序的形成條件對(duì)于在各種工作條件下合理設(shè)計(jì)功能電解質(zhì)至關(guān)重要。以高空間分辨率表征液體電解質(zhì)底層結(jié)構(gòu)的能力對(duì)于提高未來(lái)電池性能至關(guān)重要。

圖2 4d-stem數(shù)據(jù)集的深度學(xué)習(xí)分析。? 2023 the author(s)

圖3 -30°c下，1m lipf6在1:1 ec:dec電解質(zhì)中的stem-eels。? 2023 the author(s)

圖4 md模擬的結(jié)構(gòu)分析。? 2023 the author(s)

本研究開(kāi)發(fā)的前沿電子顯微鏡技術(shù)，不僅能對(duì)高濃度電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)分相觀察，而且能適用于確定一系列宏觀性能參數(shù)，如離子電導(dǎo)率、離子輸運(yùn)模式、粘度和微觀結(jié)構(gòu)的本征關(guān)系。控制相分離這一設(shè)計(jì)原則將很可能改善電化學(xué)性能，包括相間穩(wěn)定性。此外，使用液相4d-stem技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析的方法可以實(shí)現(xiàn)液體相變的多尺度結(jié)構(gòu)表征，結(jié)合分子尺度模擬計(jì)算可在微觀層面上探究固液界面的奧秘。

論文鏈接：

謝宇俊博士，上海交通大學(xué)溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院長(zhǎng)聘教軌助理教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家高層次引進(jìn)人才。本科畢業(yè)于德雷塞爾大學(xué)，博士畢業(yè)于耶魯大學(xué)。加入溥淵前在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校核工程系和勞倫斯伯克利國(guó)家電鏡中心從事博士后研究。近年來(lái)以第一作者或者通訊作者在nature communication, science advances, advanced materials, physical review letter等國(guó)際著名期刊上發(fā)表多篇論文，曾獲得美國(guó)材料研究協(xié)會(huì)研究生金獎(jiǎng)、國(guó)家自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)和國(guó)際粉末衍射數(shù)據(jù)中心ludo frevel晶體學(xué)等獎(jiǎng)。主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)透射電子顯微鏡技術(shù)，聚變反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)材料的失效機(jī)理，全固態(tài)電池失效分析和極端制造機(jī)制和技術(shù)。

作者：

傅瑀何

供稿單位：

溥淵未來(lái)技術(shù)學(xué)院