@FunC
2016-12-09T12:21:38.000000Z
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化学
结构思路
在纳米电化学储能领域，纳米线储能本征机理的揭示与高性能纳米线结构电极的制备成为促进该领域发展的关键。
原位表征：保持原本的反应状态、动态地表征
非原位表征：改变了条件，检测时的状态与实际反应时有差异
纳米线电极材料容量衰减快，机理尚不明确是国际性难题。
原因：传统上采用非原位表征方法，难以揭示电化学储能器件容量衰减的本质原因。
进展：
Mai 等人利用纳米线的特性，设计出可用于原位检测的电化学储能器件，无需引入导电添加剂和黏合剂。
实验结果：
1. 浅充放电情况下锂离子嵌入脱出所引起的纳米线结构变化是可逆的。
2. 深度放电时过量的锂离子嵌入到钒氧化物层间，导致纳米线结构发生了永久性变化和容量衰减。
3. 对单根硅纳米电极循环充放电，并做拉曼光谱发现Si的特征峰与循环前不一致，说明Si晶体在循环过程中失去了它的有序性，结构发生破坏，产生了无定型的LixSi合金，从而导电性变差。
实验结论：
从本征上解释了纳米线储能器件容量衰减的科学规律：纳米线电极材料容量衰减与电导率快速下降和结构劣化直接相关。
意义：通过全固态单根纳米线锂离子电池器件的研究，揭示了长期制约电池发展的容量衰减机理，为纳米线电池的检测诊断提供了独特的工具。
原位TEM(投射电子显微镜)分析可以更深入地观测和探索单根纳米线在充放电过程的结构变化。
原位TEM分析对电池的充放电过程进行实时观测：
现象：锂离子从电解液嵌入纳米线时会导致其剧烈的膨胀，延展和卷曲变形；反应前端形成一
个含有高密度流动位错的“美杜莎区”产生
与二氧化锡块体的区别：与二氧化锡块体的低塑性不同，在剧烈的变形之下，该纳米线在充放电过程中始终保持结构的完整性——纳米材料适合作为电极。
意义：揭示了由于锂离子嵌入/脱出导致的机械性能和结构变化的反应机制,并建立一整套纳米尺度的电池构造和观测方法,
上述工作从本质上阐释了电极材料电化学性能与电极材料导电性和结构的直接关系,为电极材料电化学性能的改善和储能器件的设计奠定了基础.
基于上述研究，表明电极材料的容量衰减与材料的导电性密切相关，因此从改善纳米线电极本征性能入手。
Mai 等人提出并实现了化学预嵌入、拓扑取代以及取向有序化等优化策略。
预锂化、预钠化能够有效地提高电导率和加快离子扩散,获得高容量、长寿命、高能量密度以及功率密度的电极材料
文献[41] 报道了以V2O5 纳米线前驱体制备LiV3O8纳米线,其实验结果表明V2O5前驱体纳米线的形貌发生明显破坏,,主要是因为这两种材料的晶体结构存在很大差异, 晶体结构转变引起的应力对V2O5 形貌产生了严重破坏.
而根据先前的结论，电极材料电化学性能与电极材料的结构直接相关，V2O5前驱体的形貌结构被破坏后，电学性能也大幅下降。
在不改变晶体结构的前提下进行改良，可使用拓扑取代。
Xu 等人研究表明，低温原位拓扑取代不仅保持了前驱体纳米线的形貌,使得前驱体到产物的结构变化很小,从而获得优异的电化学性能.因此, 拓扑取代也是改善电极材料本征性能的一种有效策略。
如果将一维纳米结构材料组装成有序的结构将能够提供更大的面积，从而增强它的独特性能。
报道了经石墨烯修饰的水化钒氧化物纳米复合材料作为具有高储镁循环寿命的电极材料。据报道，该材料具有330 mAh g-1的容量、200次循环后仍保留81%容量的优异性能。除此之外，它的面板工作温度从-30℃到55℃。而且在55℃时仍具有200mAh·g-1的容量。所以它是一种有前途的，吸引人的镁电池电极材料。
该材料的合成结合了温和沉淀过程以及冻干法。直到该文章发表为止，VOG-1是有报道的具有最大储mg容量，优秀的速率容量以及稳定的循环性能。
同时，具有出色的温度适应性能（-30℃到55℃）。而这些有优异的电化学性能都是由于纳米复合物的构建。
他们的工作充分展示了通过纳米结构的电极设计来提高镁电池性能是具有光明前景的。