【文章信息】

合肥工業(yè)大學(xué)在”揭示可控雙摻雜膠體中MOF的生長(zhǎng)機(jī)理，通過(guò)超快燒結(jié)制備寬溫度范圍LIB用硬碳負(fù)極材料“方向取得進(jìn)展。

【研究背景】

金屬有機(jī)框架（MOF）衍生的碳材料在各個(gè)領(lǐng)域都引起了極大的關(guān)注，特別是在鋰離子電池（LIB）中，因?yàn)樗鼈兙哂蟹欠驳男阅埽ǜ弑砻娣e、永久孔隙率、可控功能等。它們獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)允許有效的離子擴(kuò)散，并增強(qiáng)了活性位點(diǎn)的可及性。它們可調(diào)的化學(xué)成分和表面功能使定制的電極設(shè)計(jì)成為可能，優(yōu)化了電池容量和循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，它們的合成具有成本效益和可擴(kuò)展性。因此，將MOF衍生的碳材料集成到LIB中可以提高電池的容量、倍率能力、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性。合肥工業(yè)大學(xué)項(xiàng)宏發(fā)/宋曉輝課題組應(yīng)用原位液相TEM（LPTEM）探索了ZIF-8納米粒子在溶液中的生長(zhǎng)機(jī)理。我們發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)過(guò)程涉及傳統(tǒng)的經(jīng)典成核機(jī)制和非經(jīng)典成核生長(zhǎng)過(guò)程。然后，采用超快高溫?zé)Y(jié)（UHS）技術(shù)[39-41]碳化ZIF-8納米粒子，控制超快燒結(jié)溫度和時(shí)間，以調(diào)節(jié)收集的硬碳中的Zn摻雜和N摻雜（Zn-N摻雜），這通常會(huì)產(chǎn)生局部電場(chǎng)，促進(jìn)Li⁺（或Na⁺）的快速體相傳輸。

【文章簡(jiǎn)介】

本研究展示了一種實(shí)用的MOF衍生物生成路線，具有出色的效率和降低的能耗，從而為具有寬溫度范圍應(yīng)用效益的LIB提供了一種有前景的策略。

【本文要點(diǎn)】

要點(diǎn)一：ZIF-8納米粒子生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

對(duì)于ZIF-8粒子生長(zhǎng)機(jī)制的研究主要集中在闡明ZIF-8顆粒的成核和生長(zhǎng)過(guò)程，揭示其形成動(dòng)力學(xué)、形貌控制和結(jié)晶度增強(qiáng)。通過(guò)溫度、壓力和前驅(qū)體濃度的變化，可以深入了解成核和生長(zhǎng)速率，以及控制該過(guò)程的機(jī)制。通過(guò)使用不同的溶劑、表面活性劑或模板導(dǎo)向合成方法研究探索了控制ZIF-8顆粒形態(tài)的方法，系統(tǒng)地改變合成參數(shù)并使用電子顯微鏡和X射線衍射等技術(shù)表征所得顆粒，了解不同因素如何影響顆粒形狀、尺寸和表面性質(zhì)。通過(guò)添加劑改變反應(yīng)動(dòng)力學(xué)或采用退火或溶劑交換等合成后處理，提高ZIF-8顆粒的結(jié)晶度。通過(guò)計(jì)算研究，包括動(dòng)力學(xué)模擬，已被用于在原子尺度上模擬ZIF-8顆粒的成核和生長(zhǎng)過(guò)程，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了理論模型，并確定了驅(qū)動(dòng)ZIF-8顆粒生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素。

要點(diǎn)二：通過(guò)超快速高溫?zé)Y(jié)產(chǎn)生雙摻雜硬碳

MOF衍生的硬碳材料在LIB中的應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)現(xiàn)可控的Zn（或Ni、Co）單原子摻雜、N摻雜和保持微盒形態(tài)方面仍存在挑戰(zhàn)，這對(duì)于確保長(zhǎng)期穩(wěn)定性和與現(xiàn)有電池架構(gòu)的兼容性非常重要。但是傳統(tǒng)的管式爐燒結(jié)，由于長(zhǎng)時(shí)間的燒結(jié)，在高溫下單原子會(huì)進(jìn)行擴(kuò)散，導(dǎo)致燒結(jié)完后單原子的含量降低，從而導(dǎo)致電化學(xué)性能下降。為了解決上述問(wèn)題，通過(guò)超快速高溫?zé)Y(jié)技術(shù)，在極短的時(shí)間內(nèi)升高溫度，是的單原子沒(méi)有足夠的時(shí)間擴(kuò)散，從而保留在金屬框架內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高的單原子的催化作用。

要點(diǎn)三：3D電子斷層掃描

電子斷層掃描在成像材料的3D形態(tài)方面具有無(wú)與倫比的（亞）納米分辨率，這對(duì)于描繪合成、形態(tài)和性能之間的關(guān)系至關(guān)重要。然而，電子斷層掃描長(zhǎng)期以來(lái)一直受到實(shí)驗(yàn)上不可避免的缺失楔形效應(yīng)的困擾，這導(dǎo)致最終重建中出現(xiàn)了不希望的、有時(shí)甚至是大量的失真。本工作為了更好地了解碳化ZIF-8的結(jié)構(gòu)特征，采用了3D電子斷層掃描，并利用U-net深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行三維重構(gòu)，獲得了納米籠的3D結(jié)構(gòu)，揭示了ZIF-8多面體納米顆粒結(jié)構(gòu)。感謝合肥原位科技在原位液相TEM實(shí)驗(yàn)和焦耳熱快速燒結(jié)實(shí)驗(yàn)中提供的技術(shù)支持！

【文章鏈接】

Bolin Zou, et al, Unraveling MOF Growth in Colloids with Controllable Dual-Doping through Ultrafast Sintering for Wide Temperature Range LIBs, Advanced Science, 2024, 157830

DOI: 10.1016/j.cej.2024.157830