全固態鋰電池(ASSLBs)采用固態電池結構,使用鋰超離子導體作為電解質,具有改善安全性和提高能量-功率特性的潛力。經過多年的研究,全固態電池已經能夠以高電流密度進行放電。盡管研究中使用的陰極只有幾十微米厚,但其快速放電性能暗示未來的ASSLBs在高溫條件下具有高能量密度和功率密度,而有機液體電解質在這些溫度下由于安全問題受到限制。這是因為固體電解質在室溫下具有與傳統液體電解質相當的高鋰離子電導率。雖然已經開發的固體電解質包括Li10GeP2S12(LGPS)和Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3(Li-argyrodites)。然而,固體電解質的剛性特性可能帶來一些不利影響,包括固體電解質在電極微觀結構中引入的空隙空間,阻礙了Li+向活性材料的均勻供應,導致容量損失。特別是在毫米厚電極中,固體電解質的低電導率會導致歐姆降增加,進一步加劇了容量降低的問題。歷史上,通過多重取代策略實現了無機離子導體的電導率提高。這種策略在開發一些Li+導體時被應用,目標是降低Li+遷移的電位障礙。然而,如何實現復雜的陰離子和陽離子組成以及避免目標晶體結構的崩潰仍然是一個挑戰。因此,尚未充分發掘利用超離子導電的晶體結構的全部潛力。
二、【成果掠影】
日本東京工業大學創新研究所全固態電池研究中心Ryoji Kanno教授團隊利用高熵材料的特性,通過增加已知鋰超離子導體的組成復雜性來設計了一種高離子導電的固態電解質,以消除離子遷移的障礙,同時保持超離子導電的結構框架。合成的具有組成復雜性的相顯示出改進的離子導電性能。證明了這種高導電固態電解質能夠在室溫下對厚鋰離子電池陰極進行充放電,因此具有改變傳統電池配置的潛力。相關成果以“A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode”為題發表在Science上。
?三、【核心創新點】
這項研究通過增加已知鋰超離子導體的組成復雜性,設計了一種高離子導電的固態電解質,消除了離子遷移的障礙,為厚型鋰離子電池提供了新的解決方案。
?四、【數據概覽】
?
圖1顯示了已報告的LGPS型和argyrodite型電解質的晶體結構指標(t)與組成復雜性度量值(Smix)之間的關系。 ? 2023 AAAS
圖2展示了LSiPSBrO的結構分析結果。? 2023 AAAS
圖3展示了離子導電性。 ? 2023 AAAS
圖4展示了全固態電池的性能。? 2023 AAAS
五、【成果啟示】
總言之,本文設計了一系列具有Li9.54[Si1?δMδ]1.74P1.44S11.1Br0.3O0.6(M = Ge,Sn;0 ≤ δ ≦ 1)組成的固體電解質,以實現高配置熵,同時保持其具有超離子導電路徑的晶體結構。單相LSiGePSBrO(M = Ge,δ = 0.4)的體內電導率在25°C時為32 mS cm?1。理論計算和結構分析表明,即使在LSiGePSBrO中進行了少量化學取代,也可以降低離子遷移的能壘,從而解釋了該相中觀察到的電導率增強現象。將LSiGePSBrO作為陽極液體的全固態電池,采用厚型陰極(厚度為800 μm),在25°C和-10°C下分別顯示出22.7和17.3 mAh cm?2的放電容量,相應地活性物質利用效率分別為97%和73%。這項研究強調了在采用厚型陰極配置的全固態鋰電池的充放電性能中高電導率的重要性。本研究提出的設計原則可能加速超離子導體的探索。
原文詳情: Yuxiang Li et al. ,A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode.Science381,50-53(2023).DOI:10.1126/science.add7138
]]>
剪切帶是材料中一個狹窄的強剪切應變區,通常在延性材料嚴重變形時出現。剪切帶會比材料的其他部位先失去韌性,因此它的形成通常被認為是材料失效的前兆。
二、【成果掠影】
美國威斯康星大學麥迪遜分校和中國復旦大學的研究團隊在國際頂尖學術期刊Nature Materials上發表了一項重要的研究成果。該研究探索了剪切帶在材料中的潛力,并揭示了一種新的方法來提高材料的延展性和塑性。
該研究表明,在適當的條件下,剪切帶并不總是產生負面影響。事實上,在某些材料中,剪切帶的形成可以改善材料的可塑性,并充當潤滑劑的角色,從而防止材料斷裂。這一發現對于具有晶體結構的金屬和陶瓷等材料尤為重要,因為它們的塑性取決于晶格內的位錯。位錯可以在晶格中移動,為材料提供彎曲能力,但過多的位錯會增加材料的脆性。因此,該研究為優化材料的位錯密度提供了新的思路。
?三、【核心創新點】
在之前的研究中,該團隊選擇了一種用于制造強磁鐵的脆性金屬間材料——釤鈷(SmCo5)作為研究對象。發現無定形或無結構的剪切帶實際上可以增加釤鈷材料的可塑性,而不是標志著失效的到來。通過原子級模擬和實驗驗證證實了這一發現,并成功制備出具有不同斷裂或塑性特性的釤鈷樣品。
基于對釤鈷的研究結果,該團隊結合實驗與理論模擬,成功提出并驗證了一套篩選和識別可能表現出類似特性的新材料的標準。這些標準將有助于研究人員在數據庫中搜索潛在的候選材料,并確定哪些材料可以通過摻雜或工程改造來促進剪切帶形成。
?四、【數據概覽】
圖1 |單軸拉伸中的剪切帶的可視化模擬。a,b, Al2Sm(a)和Al3Sm(b)中原子應變模型。c,d, 為紅色虛線圈突出的區域的放大顯示?
圖2 | 維氏硬度壓痕后剪切帶區域的透射電子顯微圖?
五、【成果啟示】
增加材料的韌性,即能夠承受更大能量或壓力而不斷裂,對于提升材料性能非常重要。該團隊的研究為實現這一目標提供了新的方向,并有助于探索如何優化材料的性能。這項研究深入了解了剪切帶的形成機制和關鍵因素,并為材料設計領域的發展提供了重要的推動力。這項研究可能為材料科學研究帶來新的啟示,并為開發具有優異性能的材料提供創新的思路。
原文詳情:https://www.nature.com/articles/s41563-023-01597-y
美國威斯康星大學麥迪遜分校的胡鉉昕同學作為本文的第一作者,麥迪遜分校的Izabela Szlufarska教授和中國復旦大學的張宏亮研究員作為本文的共同通訊作者。這項工作得到了陸軍研究辦公室資助#W911NF2110130的支持。
本文由作者團隊供稿
]]>據統計,有超過200000種晶體結構已知并作為原子位置列表保存在精選數據庫中。了解結構可以準確預測穩定性,在許多情況下還可以預測特性。然而,當考慮以前未報告的組合物而不限制采用數據庫中包含的結構時,該結構是未知的,必須對其進行預測以允許評估其穩定性和特性。晶體結構預測(CSP)的核心特征是,它從沒有關于晶胞中原子位置的信息開始,旨在找到它們的確切排列。為了預測熱力學穩定的化合物,詢問給定組合物是否存在晶體結構,其能量低于給定閾值。多年來,CSP方法已經付出了巨大的努力,旨在快速識別低能耗結構。然而,一種形式化的算法,正如丘奇-圖靈論文所假設的那樣,不僅應該能夠識別這樣的結構,而且如果無法達到目標能量,也應該提供不存在的證據。找到解決方案和證明其最優性之間的區別在數學中很明顯,在數學中,猜想的確認可能需要幾十年甚至幾個世紀,關于最密集的球體填料及其在高維中的推廣直到最近才建立,捕捉這種區別的正式陳述可能是計算機科學中最重要的開放問題。到目前為止,還沒有用于擴展無機固體CSP的方法可以在未知原子位置的連續空間中提供能量最優性保證。因此,尚未提出此問題的正式算法。研究人員已經開發出有效的啟發式方法來識別勢能表面的結構最小值,雖然這些方法原則上通常可以識別所有結構,但不能保證找到最低的能量結構。
【成果掠影】
在此,英國利物浦大學Matthew J. Rosseinsky教授和Paul Spirakis教授(共同通訊作者)通過結合組合和連續優化來查找晶胞內所有未知原子位置的算法,從而在能量保證下預測晶體材料的結構。作者將找到晶格上所有原子的最低能量周期分配的組合任務編碼為整數規劃的數學優化問題,從而能夠使用完善的算法保證識別全局最優值。隨后對產生的原子分配進行一次局部最小化,然后直接達到關鍵無機材料的正確結構,在明確的假設下證明它們的能量最優性。這種晶體結構預測的公式建立了與算法理論的聯系,并提供了觀測或預測材料的絕對能量狀態。它為啟發式或數據驅動的結構預測方法提供了基本事實,并且唯一適用于量子退火器,為克服原子混淆的組合爆炸開辟了一條道路。
相關研究成果以“Optimality guarantees for crystal structure prediction”為題發表在Nature上。
【核心創新點】
1.作者開發了組合和連續優化來查找晶胞內所有未知原子位置的算法,從而在能量保證下預測晶體材料的結構;
2.這種晶體結構預測的公式建立了與算法理論的聯系,并提供了觀測或預測材料的絕對能量狀態。
【數據概覽】
圖一、使用整數編程的CSP??2023 Springer Nature
圖二、利用整數規劃預測石榴石(Ca3Al2Si3O12)和尖晶石(MgAl2O4)的結構?2023 Springer Nature
圖三、對PES的啟發式和非啟發式探索的比較?2023 Springer Nature
【成果啟示】
綜上所述,本文找到最低能量周期性晶格原子分配的搜索例程可用于預測晶體結構,并進行隨后的局部最小化。這種搜索的整數規劃公式提供了一種算法,可以保證識別CSP中的全局最優值,并使量子計算機能夠解決出現的組合挑戰。因此,所得到的結構被證明在給定的成分下提供盡可能低的能量,證明了在明確假設下觀察到的原型材料結構的最佳性。這既為啟發式和數據驅動的結構預測方法提供了基本事實,又通過保證實驗室中實驗分離材料的能量狀態提供了基本理解。開發充分利用新興軟件和硬件的編碼和實現將在最佳性、確定性和量子優勢的基礎上定義獨特的CSP,從而為合成優先級和屬性預測提供新的工作流程。
文獻鏈接:“Optimality guarantees for crystal structure prediction”(Nature,2023,10.1038/s41586-023-06071-y)
本文由材料人CYM編譯供稿。
]]>
Ti-6Al-4V (Ti64)合金因其具有高強度、低密度、良好的抗疲勞性能、優異的耐腐蝕性能和生物相容性等優點,被廣泛應用于航空航天、海洋、汽車、國防、生物醫藥、發電等行業。近幾十年來,人們越來越關注Ti-6Al-4V合金的增材制造。激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion,LPBF)是一種用于制造金屬部件的增材制造技術。它使用精細的激光束有選擇地融合金屬粉末床的區域,逐層構建組件。在柱狀初生β晶粒內LPBF Ti-6Al-4V (Ti64)具有α′馬氏體針狀組織分層結構,這與通常在這種商業合金中發現的兩相α+β組織(全層狀、雙模態或完全等軸)有很大不同。與傳統制造工藝(如軋制、鍛造等)的Ti64相比,LPBF Ti64的加工硬化性、延展性和拉伸塑性較差。這些問題嚴重限制了LPBF Ti64在具有嚴格安全標準的航空航天工業中的使用。
二、【成果掠影】
上海交通大學材料科學與工程學院王樂耘團隊從鈦合金的微觀變形機理出發,通過粉末預合金化來調控鈦合金中鋁元素的含量,設計了Ti-4Al-4V(Ti44)和Ti-8Al-4V(Ti84)兩種合金,研究了Al含量對LPBF Ti-xAl-4V合金(x = 4,6,8, wt.%)顯微組織和力學性能的影響。結果表明鋁含量越高,材料的強度越高。Ti44和Ti84合金均表現出比Ti64更高的加工硬化值和均勻延伸值。這一結果歸因于Ti44中多種滑移模式的激活和Ti84中更不均一的微觀結構。相關研究成果以“Laser additive manufacturing of titanium alloys with various Al contents”為題發表在國際著名期刊Materials Research Letters上。
三、【核心創新點】
Ti-xAl-4V合金(x = 4,6,8, wt.%)合金強度隨Al含量的增加而增加,由于Ti44中多種滑移模式的激活和Ti84中更為異質的微觀結構,Ti44和Ti84都比Ti64具有更高的加工硬化和均勻延伸值。
四、【數據概覽】
圖1?Ti44, Ti64和Ti84的XRD譜圖?2023 The Author(s)
圖2 Ti44、Ti64和Ti84的顯微組織比較。(a)利用(b) α’板條的EBSD反向極圖重構初生β相。(c) (b)中黑框的放大圖像。(d)三種合金中一次馬氏體(primary α′)的板條寬度分布。?2023 The Author(s)
圖3 (a?c)Ti44、Ti64和Ti84的明場TEM圖像。(d?f)次生馬氏體(secondary and ternary α′)板條寬度分布。(g?i) Ti44、Ti64和Ti84不同顯微組織示意圖。?2023 The Author(s)
圖4三種材料的拉伸性能。(a, b) Ti44、Ti64、Ti84試樣的應力-應變曲線。(c)三種合金的加工硬化率。(d) Ti44、Ti64和Ti84與文獻中其他構建的LPBF Ti64的屈服強度和均勻伸長率值的比較。?2023 The Author(s)
圖5 (a) Ti44、Ti64、Ti84的LUR(Loading-unloading-reloading)試驗應力-應變曲線。(b)三種合金的第四個磁滯回線。(c) 異質變形誘導應力計算示意圖。(d) Ti44、Ti64和Ti84的異質變形誘導應力值演變。?2023 The Author(s)
五、【成果啟示】
本文通過LPBF工藝研究了Al含量對Ti-xAl-4V合金(x=4,6,8, wt.%)顯微組織和力學性能的影響。Ti44、Ti64、Ti84這三種合金都只含有α′相。每一種合金都呈現出初生β晶粒、一次馬氏體(primary α′)、次生馬氏體(secondary and ternary α′)板條組成的分層組織。LPBF-Ti44合金的塑性和各向同性明顯優于LPBF-Ti64。該合金降低了鋁的含量,起到了三個效果:1)α′相內部變形由平面滑移向交滑移轉變、2)成型材料顯微組織由柱狀晶向等軸晶轉變、3)次生α′馬氏體寬化導致晶界數量進一步減少,這些都有利于材料塑性和各向同性的提升。LPBF-Ti84合金不但屈服強度高于Ti64,加工硬化和均勻延伸率也高于后者。這主要是由于Ti84中次生α?馬氏體尺寸的不均勻分布,所產生的異構組織變形誘導硬化機制所導致的。這一研究通過改變鈦合金中常用添加元素鋁的含量,得到的合金更適合LPBF工藝,改善了LPBF Ti-6Al-4V拉伸塑性較差的缺點,為相關的新合金設計提供了重要參考依據。
原文鏈接:
https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2165418
本文由小藝撰稿
]]>近期,一系列令人印象深刻的實驗進展表明,共軛二維共價有機框架材料能夠在熱電應用中表現出良好的性能,其獨特的結構特征可能提供潛在的范式轉變機制來設計具有優異熱電性能的新材料。值得注意的是,進一步提高材料的熱電性能和合理開發新材料的先決條件,不僅是增進對決定材料性能的微觀熱電輸運過程的理解,而且是建立直接的結構-功能關系。然而,前人對該類材料熱電性能的研究主要集中在材料制備和性能測量上,缺乏基礎研究,因此,該類材料中復雜的熱電運輸機制至今仍不清楚,這不可避免地阻礙了它們性能的進一步提升和系統的材料設計。
為解決上述關鍵問題,近期,中山大學化學學院的石文副教授(通訊作者)和其碩士研究生周婷霞(第一作者)等以17個典型的的共軛二維共價有機框架材料為例,聯合密度泛函理論計算、Boltzmann輸運方程和形變勢模型對它們的空穴型熱電性質進行了全面的理論計算研究。同時,他們建立了一個原子級框架,以揭示共軛二維共價有機框架材料中宏觀熱電性能、微觀輸運機制和基本化學結構之間的潛在關聯,并提供了一套系統的材料設計準則。
他們的研究表明,連接體和結點部分對價帶的貢獻比值可以作為評估共軛二維共價有機框架材料熱電性能的描述符。他們揭示連接體和結點部分對價帶的貢獻的小比值會帶來大的價帶帶寬,弱的載流子-晶格振動相互作用,高的空穴遷移率和優異的熱電功率因子。此外,他們發現,在連接體部分引入苯環、用苯環取代雜環、減少氮雜環的數量、避免出現苯醌式結構,有助于實現其載流子離域,從而實現良好的功率因子。作者希望這些新的理論發現將有助于使整個共軛二維共價有機框架家族的熱電性質合理化,并促進該類材料的理性、系統開發。該理論計算工作以題為“Atomistic design of two-dimensional covalent organic frameworks with high thermoelectric performance”,發表在近期的《Journal of Materials Chemistry A》上,全文鏈接見:https://doi.org/10.1039/D3TA02146G。
【圖文導讀】
圖1,17種共軛二維共價有機框架材料的化學結構。
圖2,17種共軛二維共價有機框架材料的投影能帶結構。
圖3,價帶帶寬與連接體部分和節點部分對價帶的貢獻比值之間的關系。
圖4,載流子-晶格振動相互作用與價帶帶寬的關系。
圖5,預測的共軛二維共價有機框架的空穴遷移率、電導率和熱電功率因子。
]]>為了更好地緩解汽車產生的碳排放,鋰離子電池電動汽車已形成了一種趨勢。目前鋰離子電池電極均由濕法制備,因此會導致粘合劑遷移并產生一系列電極機械性能電化學性能方面的問題,不能很好地滿足未來大規模生產高負載電極的需求。 另外濕法制備電極過程必不可少的漿料涂制和烘干占生產成本的近11.5%和總能量消耗的46%以上。因此,工業屆迫切需要研發能夠大規模生產鋰電電極的新一代制備方法,科研人員開始考慮和探索鋰電電極干法制備工藝。
美國Maxwell Technologies公司開發了Maxwell型的干混-滾壓制備法,顯現出來很好的工業化前景。如圖1所示,該方法包括了3個簡單步驟:(1)干混電極原料并預纖維化特富龍(聚四氟乙烯)粘合劑;(2)將干混后的粉體混合物滾壓成自支撐電極;(3)把自支撐電極壓合到集流體上。由于擯棄了溶劑、涂料機和高溫干燥,該干法制備工藝可以實現低成本節能的鋰電生產。不僅如此,該制備工藝還可以有效避免高負載高能量密度電極中普遍存在的粘合劑遷移問題,進而可實現高性能鋰電池。
但是科學界未能對該干法制備工藝相關的生產制備技術細節及其影響進行充分的研究分析,為了彌補這方面的理論空白,橡樹嶺國家實驗室的鋰電池生產制造學專家Jianlin Li博士和材料化學專家Runming Tao等多位科研人員開展了深入的研究,創新性地對干法制備的電極的結構、電化學動力學、鈍化膜進行了系統的研究,并對比了傳統濕法制備的電極。成果“High-Throughput and High-Performance Lithium-Ion Batteries via Dry Processing”發表在國際頂尖化工期刊Chemical Engineering Journal上。
Figure 1. Schematic demonstration of the dry processing based on dry-powder mixing and rolling/calendering.
研究亮點
1.干法制備工藝對電極結構的影響
2.研究干法制備的電極的電化學動力學
3.首次進行了全電池研究(正負極均為干法制備的電極)
4.分析干法制備的電極上的鈍化膜化學組分
5.干法制備工藝在材料和生產設備方面的普適性探究
圖文導讀
?
Figure 2. SEM images of DP- Gr and NMC622 electrodes. (a-d). Low- and high-magnification top view and cross-sectional view of Gr electrode, respectively. (e-h). Low- and high-magnification top view and cross-sectional view of NMC622 electrode, respectively.
圖2展示了干法制備的石墨(DP-Gr)負極和NMC622(DP-NMC622)正極的表面和橫截面掃描電鏡圖片。通過圖片,可以很清楚的看到在DP-Gr負極的表面和橫截面均有豐富的聚四氟乙烯纖維。DP-NMC622正極表面上NMC622二級顆粒均基本破碎成為首級顆粒,其表面沒有太多聚四氟乙烯纖維,相反其電極內部卻還是有著大量的聚四氟乙烯纖維。另外橫截面掃描電鏡圖片表明DP-Gr負極和DP-NMC622正極的厚度分別為154微米和115微米。
Figure 3. (a and b). EIS Nyquist plots of the prepared Gr and NMC622 electrodes, respectively. The Rt?value is obtained from the interception point of the red-color extrapolation in the low-frequency region and the horizontal axis. (c and d). Bar graphs of the porosity and tortuosity of the obtained various electrodes, respectively.
隨后科研人員利用對稱電池評估了DP-Gr負極和DP-NMC622正極的孔率和彎曲率。研究表明在相同負載量(Gr電極和NMC622電極的負載量分別為6.6 mAh cm-2和6.0 mAh cm-2)和相同電極厚度的情況下,干法制備的正負極均比傳統濕法制備的正負極(C-Gr和C-NMC622)有著明顯較小的彎曲率。該結果意味著干法制備的電極有著更通暢的電化學動力學性能。
Figure 4. Electrochemical performance of the DP-Gr anode and DP-NMC622 cathode in half-cells. (a). DP-Gr discharge/charge profile at a current density of 0.1 C. (b). Rate performance of DP-Gr and C-Gr. (c). DP-Gr and C-Gr cyclic performance at 0.2 C. (d). DP-NMC622 charge/discharge profile at a current density of 0.1 C. (e). Rate performance of DP-NMC622 and C-NMC622. (f). DP-NMC622 and C-NMC622 cyclic performance at 0.2 C.
如圖4a所示,DP—Gr電極的首圈庫倫效率并不是很理想。這主要是由聚四氟乙烯在低電勢下的副反應所造成的。圖4b和4c表明DP—Gr有著可以媲美C-Gr的電化學性能,而基于聚四氟乙烯的DP—NMC622則有著很好的首圈庫倫效率(圖4d)。另外,如圖4e所示,DP—NMC622比起C—NMC622有著更高的倍率性能,特別是在0.5C和1C的電流密度下。圖4f則顯示了DP—NMC622和C—NMC622一樣有著良好的循環性。
Figure 5. HRXPS spectra of the cycled DP-Gr and DP-NMC622 electrodes. (a-c). C-1s, F-1s and P-2p HRXPS spectra of the cycled DP-Gr anode. (d-f). C-1s, F-1s and P-2p HRXPS spectra of the cycled DP-NMC622 cathode.
圖5顯示了DP-Gr電極和DP-NMC622電極的SEI和CEI鈍化膜組分。HRXPS分析結果表明干法制備的電極和傳統濕法制備的電極在鈍化膜成分方面有著明顯區別。
Figure 6. DP electrode electrochemical performance studies in full-cells. (a). Charge/discharge profile at a current density of 0.1 C. (b-c). rate capability test and cyclic performance study of the full-cells after aging at a current density of 0.1 C for three cycles, respectively.
圖6展示了由DP-Gr與DP-NMC622組成的全電池的性能。在0.2C?(1 C = 180 mA g-1)的電流密度下(圖6a),電池貢獻了108.2 mAh g-1的比容量,另外所得的電壓平臺在3.7 V。這意味著該全電池在電極尺度有著227.2 Wh/kg的高能量密度。如圖6b所示,在0.33 C、0.5 C、1 C、2 C、3 C 的高電流密度下,所檢測到的平均放電比容量分別為?95.9 mAh g-1、71.0 mAh g-1、28.0 mAh g-1、5.1 mAh g-1、3.2 mAh g-1。圖6c展現了基于干法制備電極的全電池在0.2 C電流密度的長效循環性,在第400圈和第800圈該全電池系統分別有著74.1 %和63.6 % 的容量保持率。
總結與展望
根據以上所得結果與分析,該研究首次證明鋰電電極干法制備工藝較濕法制備工藝而言在多方面有著很明顯的優勢。首先干法制備工藝對生產設備和原料有著良好的普適性;其次,可以大幅減少鋰電電極生產成本和能量消耗;第三,由于聚四氟乙烯粘合劑的纖維化加上避免了溶劑的使用,干法制備的電極有著很好的機械性能和更為均一致密的內部結構,從而實現了優良的電池性能。但是,聚四氟乙烯作為粘合劑在石墨負極方面還存在明顯的短板,這也提出了對研發新粘合劑的需求。綜上所述,該研究不僅創新性地提出了一種高效電極制備的方法,而且還建立了對聚四氟乙烯粘合劑副反應和鈍化膜的理論認知。
文獻信息
High-Throughput and High-Performance Lithium-Ion Batteries via Dry Processing. Chem. Eng. J. 2023, 144300
DOI:10.1016/j.cej.2023.144300
原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144300
]]>自極化晶體是一種基于本征電偶極矩的優質介電材料,在信息存儲和電子器件等領域的潛在應用引起了人們的極大興趣。天然的環狀硅酸鹽礦物(如電氣石)在1989年首次被證實具有自極化效應。自極化晶體的表面電場可以使周圍的空氣和水電離,因此晶體可產生高達5000 ions/cm3的負空氣離子(NAI)。由于自極化效應,隨著壓力或溫度的輕微變化,非對稱晶格就會發生劇烈的扭曲和拉伸,導致一些離子和基團被激發到更高的能級;當它們轉移到較低的能級時,多余的能量以遠紅外射線的形式釋放出來。自極化晶體誘導的遠紅外射線的發射有利于水分子間氫鍵的減弱和斷裂,有助于大分子水簇分解成小分子水簇(SWC; (H2O)n, n = 2?6)。NAI可以改善警覺性和精神運動表現,緩解煩躁不安和緊張,對人體健康的NAI濃度大于500 ions/cm3;SWC具有溶解度和滲透性強、溶解氧濃度高、表面張力低等優點。利用這些優勢,在日常應用中設計可持續的自極化材料來激活空氣和水形成NAI和SWC具有重要意義。
二、【成果掠影】
坭興陶產于廣西欽州市,創造于1300多年前的唐朝,在清朝聞名于世,是中國四大名陶之一,是中華陶瓷文化和華南地區茶飲文化交融的紐帶。當地居民發現,一些坭興陶瓷器皿具有透氣不透水的特點,有利于保存茶和食物的香氣和營養。廣西大學化學化工學院張燕娟副教授和黃祖強教授團隊經初步分析表明,這些坭興陶容器具有一定的表面電場和遠紅外線發射性,這源于坭興陶中自極化硅酸鹽礦物的誘導。然而,由于坭興陶的不可控的傳統制造工藝(主要包括濕法球磨(WG)、自然礦化(NM)和高溫燒成),自極化性能的出現具有隨機性。他們基于該分析結果提出分別以機械活化(MA)和仿生礦化(BM)技術來替代傳統的WG和NM技術,以可控構建自極化硅酸鹽材料前驅體,并高溫固化形成穩定自極化性坭興陶(SPCE)。MA處理將陶泥研磨為納米級顆粒,并破壞陶泥的晶體結構,轉化為具有高自由能的非晶態物質,這增加了Si、Al和Ca等金屬離子的溶出量,并且破壞了礦物-蛋白的吸附結構而迫使被吸附蛋白質溶出。在BM過程中,離子以蛋白質為礦化模板和位點,通過自組裝形成硅酸鹽礦物前體。高溫燒制后,硅酸鹽前驅體脫水轉化為六方晶體KCa3AlCa3Si4O16,在SPCE中展示出優異的自極化效應。SPCE具有高達0.2322 μC/cm2的自極化強度和1.31?×?108?V/m的表面靜電場,遠紅外發射率為0.951。SPCE可以激活空氣中的H2O和O2分子形成NAI(平均濃度6000 ions/cm3)。此外,SPCE可以激活和破壞大(H2O)n簇中的分子間氫鍵形成SWC,處理冷水(24 h)和沸水(60 min)時,其17O-NMR譜半峰寬度分別為47.87和49.92 Hz;可將弱酸性水的pH值調節到接近中性,通過氫離子捕獲電子產生可釋放的氫氣。由于這些優異的特性,這種功能陶瓷在日常容器、水處理、空氣質量改善和其他相關領域的應用前景廣闊。?
相關研究成果以“Construction of spontaneously polarized ceramic via synergistic mechanical activation?biomimetic mineralization for activating air and water”為題發表在國際知名期刊Journal of Materials Science & Technology上。
?三、【核心創新點】
1.采用MA技術,破壞陶泥的晶體結構,增加金屬離子和蛋白的溶出量,為陶瓷的重構提供前提條件。
2.以蛋白質螯合的金屬離子為成核位點,通過BM策略可控構建自極化硅酸鹽前驅體。應用異硫氰酸熒光染色法對蛋白質進行染色,成功監測BM過程中礦物的生長過程。
3.將SPCE的宏觀性質(表面電場、自極化強度)與KCa3AlCa3Si4O16的晶體結構剖析聯系起來,揭示SPCE的高自極化性與晶體的高固有偶極矩密切相關。闡述了SPCE的自極化性是釋放NAI、發射遠紅外線、制備SWC、調節水pH等生態效應的內在原因。
?四、【數據概覽】
圖1? (a)和(b)MA處理前后泥料的SEM;(c)MA處理前后泥料的XRD;(d)MA處理前后泥料的FTIR;(e-g)MA、WG處理對泥料金屬離子溶出量的影響?
圖2 (a)MA、WG處理對水中凱氏氮含量的影響;(b)MA、WG處理對泥料Zeta電位的影響;(c-d)MA處理前后泥料吸附蛋白的變化?
圖3? (a-b)BM與NM處理對水體中Si含量和Zeta電位的影響;(c-d)BM與NM處理對水體中凱氏氮含量的影響;(e-h)BM與NM處理的晶體生長差異;(i)BM、NM處理后前驅體與蛋白質的FTIR?
圖4 (a-b)SPCE的TEM圖像;(c)SPCE的HRTEM圖像;(d-f)KCa3AlCa3Si4O16晶格的確認;(g-h)由VESTA軟件導出的KCa3AlCa3Si4O16和K[Mg0.8K0.2]3Al[Mg0.8Al0.2]3Si4O16的單胞球棒模型?
圖5 采用BM策略構建SPCE的機理示意圖?
圖6 (a-b)采用NM和BM策略構建的SPCE的電滯回線;(c)不同材料的NAI釋放率,Blank為空氣NAI;(d)不同材料的遠紅外線發射率;(e)不同材料處理水的17O-NMR譜;(f)不同材料處理水的pH值隨時間的變化?
圖7 SPCE表面永久表面電場的形成機理及活化空氣和水的功能性能示意圖?
五、【成果啟示】
綜上所述,通過MA和BM的協同作用,創造性地構建了由穩定的硅酸鹽晶體組成的SPCE。MA處理有效地影響了粘土的結構,增加了離子的溶解和游離蛋白的釋放。在BM過程中,離子以蛋白質為礦化模板和位點,通過自組裝形成硅酸鹽礦物前體。高溫燒制后,硅酸鹽前驅體脫水轉化為六方晶體KCa3AlCa3Si4O16,在SPCE中具有優異的自極化性。SPCE的遠紅外發射率為0.951;SPCE可以激活空氣中的H2O和O2形成NAI;SPCE可以激活和破壞大分子水簇中的分子間氫鍵,制備SWC;SPCE可將弱酸性水調節到pH接近中性。由于這些優異的生態效應,SPCE在水處理、空氣凈化及相關領域具有廣闊的應用前景。
原文詳情:
Construction of spontaneously polarized ceramic via synergistic mechanical activation?biomimetic mineralization for activating air and water (Journal of Materials Science & Technology, DOI: 10.1016/j.jmst.2023.05.008)
]]>多晶高溫合金的力學行為很大程度上由晶界控制。晶界上的滑移傳遞/阻塞行為直接影響晶界局部的位錯堆積和裂紋萌生。考慮到鎳基高溫合金如Inconel?718(IN718)合金在高溫下服役,因此原位研究高溫下的晶界滑移傳遞行為,對進一步認識位錯滑移對材料服役性能影響更有意義。
二、【成果掠影】
近日,北京工業大學和浙江大學張躍飛課題組,采用自主開發的原位高溫力學測試系統,原位觀察了IN718在650 ℃的微觀塑性變形行為。基于連續分布位錯力學理論和實驗數據建立融合材料真實取向和微觀結構的晶體塑性模型,定量研究了晶界滑移傳遞行為。研究發現準則比準則更敏感地反映通過滑移傳遞激活的滑移系,這表明在評估滑移傳遞實例時θ角比ψ角更重要。當ψ角小于35°時,準則對確定滑移傳遞激活的滑移系是敏感的。對于一般晶界,滑移傳遞傾向于發生在>0.83并且(1/b)<0.44,或者>0.82并且(1/b)<0.46;當>0.92或者>0.93時,具有持續的滑移傳遞行為。對于孿晶界,發生滑移傳遞的充要條件是≈0且Δb/b<0.6。先變形晶粒的應變強化作用提高相鄰晶粒上的應力,從而促進了滑移傳遞,而良好的幾何相容性為位錯穿過晶界提供了通道。相關論文以題為“In-situ study of adjacent grains slip transfer of Inconel 718 during ?tensile process at high temperature”發表在International?Journal?of?Plasticity。
三、【核心創新點】
1.采用自主開發的集成于SEM內的微型高溫力學測試系統,原位觀察了IN718在650 ℃的晶間滑移傳遞過程。
2.建立融合合金微觀結構和晶格取向的CPFEM模型,并對其可靠性進行了驗證。深入分析了位錯-晶界相互作用對滑移傳遞的影響,建立了預測IN718高溫塑性變形過程中晶間滑移傳遞的可靠準則。
四、【數據概覽】
自主開發的原位高溫拉伸設備,主要由拉伸臺和加熱器組成。測試裝置在SEM中的布置如圖1(a)所示。圖1(b)為拉伸臺夾具、樣品、加熱器位置關系截面圖,其中拉伸臺的左右夾具由多級減速傳動系統驅動,實現中心對稱雙向拉伸,保證拉伸過程中觀測的變形區域始終在SEM視場之內。加熱器的加熱芯與樣品標距段微接觸進行傳導加熱,K型熱電偶與樣品標距段下表面接觸以測量溫度。?
圖1 用于原位拉伸試驗的樣品制備和拉伸測試系統。(a)嵌入SEM腔室的原位高溫拉伸臺系統和(b)主要工作部分截面圖。
圖2?CPFEM建模過程。(a)興趣區域的反極圖。(b)晶界形貌。(c)歐拉角分布和(d)幾何模型。模型考慮了IN718合金的實際微觀形貌和晶格取向。
圖3 EBSD圖反映局部變形細節。(a),(b)分別是在0%和1.43%應變時的KAM圖。(c),(d)分別是1.43%應變時的GND圖和GROD圖。GB1,GB2和GB3局部呈現不同的晶格轉動和應力集中行為。
圖4?原位SEM圖用于分析滑移跡線。(a)-(f)是BC1、BC2和BC3試樣分別在1.43%和7.25%應變時的SEM圖。可以清晰的看到相鄰晶粒中主要啟動的滑移系是否在晶界出現幾何對齊和晶界局部的形貌。
圖5?工程應變7.25%時三個試樣塑性滑移分布。(a–d)分別對應為G92的γ2、γ3和G61的γ11、γ9。(e–h) 分別對應為G57的γ4、γ7和G67的γ2、γ10。(i–l) 分別對應為G10的γ2、γ11和G9的γ2、γ10。用以說明相鄰晶粒主要啟動的滑移系的位錯滑移在晶界是否具有連續性。
五、【成果啟示】
本研究結合原位SEM技術和CPFEM定量研究了晶界滑移傳遞行為,深入分析了其潛在機制,建立了預測IN718高溫變形晶界滑移傳遞的可靠標準。基于本文提供的方法和研究成果,可以基于合金變形前的EBSD信息,方便、快速的預測合金在塑性變形過程中相鄰晶粒的滑移傳遞/阻塞行為。
六、【通訊作者簡介】
北京工業大學呂俊霞副教授和浙江大學張躍飛教授為本文的共同通訊作者。
呂俊霞:主要從事激光增材制造鈦合金、鎳基高溫合金組織調控與性能表征;主持國家和北京市自然科學基金、GF科技173計劃等多個課題,在International?Journal?of?Plasticity、Materials & Design、Materials Science & Engineering A等國內外期刊發表論文50余篇。
張躍飛:中國科協求是杰出青年科技成果轉化獎獲得者,北京市長城學者,美國麻省理工學院核科學與工程系訪問學者,香港城市大學高級研究員;長期從事原位電子顯微學相關方法和儀器開發,研究成果獲國家自然科學二等獎、北京市科學技術獎一等獎、入選中國高等學校十大科技進展等。
原文詳情:
Jutian Chen, Junxia Lu*, Wang Cai, Yuefei Zhang*,?Yongfeng Wang, Wenxiang Jiang, Muhammad Rizwan, Ze Zhang,?In-situ study of adjacent grains slip transfer of Inconel 718 during tensile process at high temperature, International Journal of Plasticity, 2023, 163: 103554.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0749641923000402
本文由Jutian Chen撰稿。
]]>在整個歷史中,理解和操縱材料的能力對技術的進步至關重要。如今的科學家和工程師們從經濟和環境的角度理解新材料的價值。功能梯度材料(FGMs)是零件中具有復雜結構和極高功能性的區域,其元素組成呈持續變化,從而產生新穎和定制的機械或熱學性質。開發具有增強性能并適用于航空航天、海洋、核工程和高溫防護涂層等各種應用的材料能力,大大增加了對FGMs的關注。尺寸和結構特征是用于對梯度材料進行分類的兩個因素。梯度可以是厚實的或薄層(例如表面涂層),需要不同的加工技術。根據結構的不同,它們分為連續和間斷兩組。在具有間斷梯度的材料中,微觀結構或化學成分逐漸變化,界面通常是可觀察的。相反,在具有連續梯度的材料中,化學成分或微觀結構隨位置不斷變化,幾乎不可能感知到明顯的邊界作為梯度結構的界面。
二、【成果掠影】
最近,印度泰米爾納德邦金奈市安納大學的T. S. Senthil教授提出了一種新穎的方法,利用基于冷金屬傳輸的線弧增材制造工藝來制造功能梯度的鉻鎳鐵合金 825-SS316L。鉻鎳鐵合金 825的光學顯微圖顯示了連續和間斷的樹枝狀結構。SS316L區域由5%的δ-鐵素體組成,其中主要的奧氏體(γ)樹枝狀晶體通過Creq/Nieq比值為1.305進行了確認。功能梯度的界面顯示出部分混合區,從細長的樹枝狀晶體過渡到細小的等軸晶體。利用從鉻鎳鐵合金 825、SS316L和界面區域提取的試樣,在室溫下確定了制造的壁的拉伸性能。拉伸試樣的形態學顯示了顯著的塑性變形,表明屬于韌性破壞。通過采用裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗,實驗性地研究了壁的斷裂韌性。斷裂形態顯示出一種韌性破裂模式,裂紋發展方向垂直于條紋。元素映射顯示斷裂表面上沒有元素偏析的證據,元素均勻分散。CTOD值分別在鉻鎳鐵合金 825側和SS316L側為0.853毫米和0.873毫米。試驗結果確認,鉻鎳鐵合金 825和SS316L兩側具有良好的斷裂韌性。相關成果以 “Mechanical, microstructural and fracture studies on Inconel 825–SS316L functionally graded wall fabricated by wire arc additive manufacturing” 為題發表在Scientific Reports上。
?三、【核心創新點】
這項研究通過冷金屬傳輸的線弧增材制造工藝實現功能梯度的鉻鎳鐵合金825-SS316L,在光學顯微圖和實驗結果中展示了連續和間斷的樹枝狀結構,成功實現了具有良好斷裂韌性的功能梯度界面。
?四、【數據概覽】
?
圖1 展示的構建后的材料顯示了(a)高度 (b)寬度 (c)厚度。? 2023 Springer Nature Limited
圖2 (a) 拉伸試樣的位置 (b) 拉伸試樣的規格。? 2023 Springer Nature Limited
?
圖3 (a) 在鉻鎳鐵合金825上制備的斷裂韌性試樣缺口 (b) 在SS316L上制備的斷裂韌性試樣缺口。? 2023 Springer Nature Limited
圖4 (a) 鉻鎳鐵合金 825的光學顯微圖 (b) SS316L的光學顯微圖 (c) 界面的光學顯微圖。? 2023 Springer Nature Limited
圖5 (a) 構建后的鉻鎳鐵合金 825、界面和SS316L的拉伸性能均值 (b) 帶有誤差棒的標準偏差。? 2023 Springer Nature Limited
圖6 (a) 鉻鎳鐵合金 825的斷裂表面 (b) 界面的斷裂表面 (c) SS316L的斷裂表面頸部區域的放大視圖 (d) 鉻鎳鐵合金 825 (e) 界面 (f) SS316L的放大視圖。? 2023 Springer Nature Limited
圖7 (a) 鉻鎳鐵合金 825的裂紋尖端張開位移曲線 (b) SS316L的裂紋尖端張開位移曲線。? 2023 Springer Nature Limited
圖8 (a) 鉻鎳鐵合金 825裂紋擴展的不同區域的掃描電子顯微鏡圖像 (b) SS316L裂紋擴展的不同區域的掃描電子顯微鏡圖像。? 2023 Springer Nature Limited
圖9 (a) 鉻鎳鐵合金 825的掃描電子顯微鏡圖像顯示條紋痕跡 (b) SS316L的掃描電子顯微鏡圖像顯示條紋痕跡。? 2023 Springer Nature Limited
圖10 (a) 鉻鎳鐵合金 825的快速斷裂表面的掃描電子顯微鏡圖像 (b) SS316L的快速斷裂表面的掃描電子顯微鏡圖像。? 2023 Springer Nature Limited
?
圖11 (a-h) 斷裂的鉻鎳鐵合金 825區域的EDS元素映射圖。? 2023 Springer Nature Limited
?
圖12 鉻鎳鐵合金 825區域的EDS元素譜和定量分析。? 2023 Springer Nature Limited
?
圖13 (a-h) 斷裂的SS316L區域的EDS元素映射圖。? 2023 Springer Nature Limited
?
圖14 SS316L區域的EDS元素譜和定量分析。? 2023 Springer Nature Limited
五、【成果啟示】
總的來說,利用基于冷金屬轉移的WAAM工藝構建功能梯度壁,金屬傳輸特性表明WAAM成功地用于制造結構穩定的零部件。采用裂紋尖端開口位移方法和單邊缺口彎曲試樣幾何形狀評估了具有缺口的鉻鎳鐵合金 825和SS316L兩種功能梯度試樣的斷裂韌性。根據研究結果,鉻鎳鐵合金 825-SS316L壁的界面具有良好的斷裂性能,可在惡劣環境中使用。
原文詳情:Senthil, T.S., Babu, S.R. & Puviyarasan, M. Mechanical, microstructural and fracture studies on Inconel 825–SS316L functionally graded wall fabricated by wire arc additive manufacturing. Sci Rep 13, 5321 (2023).
https://doi.org/10.1038/s41598-023-32124-3
本文由jiojio供稿
]]>尼古拉斯
一、【導讀】?
近年來,由于城市化的快速發展和世界人口的急劇增長,全球能源消耗顯著增加。有限的化石燃料儲量引發了人們的密切關注,并促使研究人員尋求可再生能源來滿足日益增長的能源需求。鈉金屬電池以其低成本、高的理論比容量(1165 mAh g-1)和低電壓(相對于標準氫電極的電壓-2.71 V)優勢有望發展為下一代綠色高效的儲能體系。然而,金屬鈉負極的應用還面臨以下挑戰,包括枝晶生長、負極/電解質界面的寄生反應和嚴重的體積變化,這些因素會導致電池失效,帶來安全性問題。
二、【成果掠影】
負極表面形成的固體電解質界面(SEI)是決定鈉金屬電池(SMBs)壽命的關鍵因素之一。然而,SEI成分復雜,且在充放電過程中會不斷發生動態演變,人們對其化學和微觀結構的理解還不夠深入。來自浙江大學的孔學謙團隊研究了二氟草酸硼酸鈉(NaDFOB)電解液在金屬負極表面形成的SEI的結構和其隨循環的動態演變。原位核磁共振(NMR)表明,DFOB陰離子的優先還原有助于SEI的形成,并抑制了碳酸鹽溶劑的分解。深度剖析X射線光電子能譜和高分辨固體核磁共振表明,隨著電化學循環的進行,DFOB陰離子被還原,在負極表面形成富含硼酸鹽和含氟的SEI層,可以有效保護金屬負極,該SEI的保護效果在50個循環時達到最佳,使SMBs的循環壽命延長了3倍。該研究內容為SEI的工程化設計提供了重要指導。
相關研究成果以“The chemical evolution of solid electrolyte interface in sodium metal batteries”為題發表在國際知名期刊Science Advances上。
三、【核心創新點】
1.本文研究了由二氟草酸硼酸鈉(NaDFOB)和碳酸酯溶劑組成的電解液對金屬負極的保護作用,該電解液在鈉金屬電池(SMBs)中表現出優異的電化學性能,并在鈉負極表面形成穩定的SEI。結果表明,DFOB陰離子具有較低的最低未占據分子軌道,可優先有機溶劑發生還原。NaDFOB電解液的SEI形成機理不同于常規電解液。
2.研究了電極表面優異的SEI保護層如何延長電池壽命,SEI的化學結構如何隨循環的進行發生演變,以及為什么特定的SEI組成對電池性能更有利。應用原位1H,19F和11B核磁共振譜量化了電池循環過程中電解液各組分的消耗。
3.用固體核磁共振和XPS深度剖析揭示了不同循環階段SEI組成的化學變化。研究表明,SEI層為由無機內層和少量有機外層構成的雙層結構,富含B和F的無機層可以提供優異的機械強度抑制枝晶生長和鈉金屬的體積膨脹,硼酸鈉含量的增加對SEI質量的提升起積極作用。
四、【數據概覽】
圖1? SEI的保護效果示意圖 ? 2022 AAAS
(a) 電池先拆后裝的研究方法示意圖
(b) 不同負極片組裝的Na/Na對稱電池的循環壽命對比
(c) 不同負極片組裝的NVOPF/Na電池的長周期循環性能對比
圖2? 原位核磁共振 ?2022 AAAS
(a) 原位核磁共振裝置示意圖
(b) 1.0 M NaDFOB/EC:DMC電解液組裝的對稱電池中,電解質鹽和溶劑隨循環的消耗
(c) 1.0 M NaPF6/EC:DMC電解液組裝的對稱電池中,電解質鹽和溶劑隨循環的消耗
圖3? 循環后金屬Na負極極片的XPS分析? ?? 2022 AAAS
(a)-(d) Na電極在NaDFOB/EC:DMC電解液中循環50周后的C1s、O1s、B1s和F1s表面XPS譜
(e) 不同循環階段的Na電極 (5th, 50th, 200th) 表面碳、硼、氟和鈉原子含量隨Ar離子刻蝕時間的變化
圖4? SEI的固態核磁共振分析 ?? 2022 AAAS
(a) 分別經過15,50,100和200個循環后的Na電極的23Na一維固體NMR實驗和擬合譜
(b) 分別經過15,50,100和200個循環后的Na電極的11B一維固體NMR實驗和擬合譜
圖5 金屬鈉電極在NaDFOB-EC:DMC電解液中形成的SEI組成示意圖 ?2022 AAAS
五、【成果啟示】
綜上所述,本文研究了NaDFOB基電解液衍生的SEI在電池不同循環階段對金屬負極的保護作用及其成分演變。原位定量NMR結果表明,NaDFOB鹽的優先還原有助于SEI的形成,從而有效抑制了有機溶劑的分解。XPS和高分辨率MAS NMR表征證實,SEI由富含硼酸鹽和碳酸鈉的無機內層和少量有機外層組成。結合電化學測試結果,我們推測SEI中硼酸鈉含量的增加對穩定鈉金屬負極起到了積極作用。我們的工作加深了對SEI形成過程的理解,建立了SEI性質與性能之間的直接關聯,為其它體系中SEI的研究提供了新思路,也為SEI的設計和優化提供了一定的參考價值。
原文詳情:
The chemical evolution of solid electrolyte interface in sodium metal batteries (Science Advances , DOI: 10.1126/sciadv.abm4606)
本文由尼古拉斯供稿。
?
]]>