近日，意昂2体育教師謝宇俊和勞倫斯伯克利國家實驗室王旌陽作為共同第一作者💝，在國際頂級期刊Science Advances上發表題為Spatially resolved structural order in low-temperature liquid electrolyte的科研論文。研究團隊開發了一種綜合實驗方法，將液相透射電子顯微鏡（TEM），低溫TEM👵🏼，四維掃描TEM（4D-STEM）和基於深度學習的數據分析等技術相結合，解析出了碳酸二乙酯有機電解質的結構有序度。其中低溫液相分離的現象也揭示了電解液的高鹽濃度區域存在短程有序(SRO)富有區域🏕。勞倫斯伯克利國家實驗室的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構順序對於控製其物理性質至關重要。在小於5 Å的SRO範圍內🏃🏻♂️➡️，人們發現許多非晶態固體存在原子相關性🤹🏿。越來越多的實驗證實了SRO的存在並揭示了其對導電、離子輸運、機械強度和結晶過程的重要影響👣。然而，盡管在固體中通過使用TEM實現了SRO的直接成像🧑🏿🦰🦀、在液體中通過使用x射線觀察到了結構順序⛺️💆🏿，但由於液體對電子束的高靈敏度和構成液體的低原子序數元素的弱散射，在類似空間尺度下尚未實現在液體中的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形暗場STEM圖像示意圖😀。© 2023 The Author(s)
鋰離子電池中的液體電解質是一類重要的材料，其宏觀性質與其組分(鹽離子和溶劑分子)的結構密切相關。例如🧔🏽，在高鹽濃度的電解質中🤾🏼♂️，鹽的陽離子和陰離子傾向於高度結合並形成超結構🙌🏿，如聚合體，從而提高界面穩定性和庫侖效率;這種超結構也導致離子電導率降低，粘度增加，類似於鋰離子電池在0℃以下的低溫性能👬🏼。這些發現再次強調了在分子水平上理解結構順序及其在介觀尺度上的空間範圍的必要性。此外，結構有序的形成條件對於在各種工作條件下合理設計功能電解質至關重要📿。以高空間分辨率表征液體電解質底層結構的能力對於提高未來電池性能至關重要。
本研究開發的前沿電子顯微鏡技術，不僅能對高濃度電解質實現分相觀察，而且能適用於確定一系列宏觀性能參數👷♀️，如離子電導率、離子輸運模式🏌🏿♀️、粘度和微觀結構的本征關系🐕🦺。控製相分離這一設計原則將很可能改善電化學性能，包括相間穩定性🪽。此外，使用液相4D-STEM技術和機器學習數據分析的方法可以實現液體相變的多尺度結構表征🎢，結合分子尺度模擬計算可在微觀層面上探究固液界面的奧秘。
圖2 4D-STEM數據集的深度學習分析。© 2023 The Author(s)
圖3 -30°C下🕡，1M LiPF6在1:1 EC:DEC電解質中的STEM-EELS。© 2023 The Author(s)
圖4 MD模擬的結構分析。© 2023 The Author(s)
原文詳情⛲️🚶🏻：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9721
謝宇俊博士🥣，意昂2体育長聘教軌助理教授，博士生導師，國家高層次引進人才👶🏿。本科畢業於德雷塞爾大學，博士畢業於耶魯大學。加入意昂2前在美國加州大學伯克利分校核工程系和勞倫斯伯克利國家電鏡中心從事博士後研究🗳。近年來以第一作者或者通訊作者在Nature Communication, Science Advances, Advanced Materials, Physical Review Letter 等國際著名期刊上發表多篇論文，曾獲得美國材料研究協會研究生金獎🤚🏿👩🏽🎤、國家自費留學生獎和國際粉末衍射數據中心Ludo Frevel晶體學等獎👓🙇🏿。主要研究方向為先進透射電子顯微鏡技術🔐🙏🏻，聚變反應堆結構材料的失效機理，全固態電池失效分析和極端製造機製和技術🔵。
