近年來世界聞名期刊上宣布的鋰電類文章要不便是能做出突破性的功能，要不便是向法解能把機理研討的十分透徹。而機理研討則是想發下資檢測科研作業者們的學術才能根底和科研經費的富余程度。此外機理研討還需求先進的好文儀器設備乃至是原位表征設備來對資料的反響進行研討。現在資料研討及表征手法可謂是章常形形色色，在此小編只是見鋰總結了部分常見的鋰電等儲能資料的機理研討辦法。限于水平，電機必有遺漏之處，討辦歡迎咱們彌補。鋰電理研料牛

小編依據常見的向法解資料表征剖析分為四個大類，資料結構組分表征，想發下資資料描摹表征，好文資料物理化學表征和理論核算剖析。章常

資料結構組分表征。見鋰

現在在儲能資料的電機常用結構組分表征中觸及到了XRD,NMR,XAS等先進的表征技能，此外現在的研討也越來越多的從非原位的表征向原位的表征進行過渡。運用原位表征的實時剖析的優勢，來探求資料在反響進程中產生的改動。此外，越來越多的研討作業開端觸及了運用XAS等需求運用同步輻射技能的表征，而搶占有限的同步輻射光源資源更顯得尤為重要。

XANES。

?X射線吸收近邊結構（XANES）又稱近邊X射線吸收精細結構（NEXAFS），是吸收光譜的一品種型。在X射線吸收譜中，閾值之上60eV以內的低能區的譜呈現強的吸收特性,稱之為近邊吸收結構(XANES)。它是因為激起光電子飽嘗周圍原子的多重散射構成的。它不只反映吸收原子周圍環境中原子幾許裝備，并且反映凝聚態物質費米能級鄰近低能位的電子態的結構，因而成為研討資料的化學環境及其缺點的有用東西。現在，國內的同步輻射光源設備首要有北京同步輻射設備，（BSRF，第一代光源），中國科學技能大學的合肥同步輻射設備 （NSRL，第二代光源）和上海光源（SSRF，第三代光源），對國內的許多資料科學的研討起到了巨大的效果。

近來，王海良課題組運用XANES等先進表征技能研討富含缺點的單晶超薄四氧化三鈷納米片及其電化學功能（Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701694）, 如圖一所示。該研討作業運用了XANES等技能剖析了富含缺點的四氧化三鈷的化學環境，然后證明了其間氧缺點的存在及其相對含量。此外經過EAXFS證明了富含缺點的四氧化三鈷中的Co具有更低的配位數。這些條件的存在協助降低了外表能，使資料具有杰出的穩定性。運用同步輻射技能來表征資料的缺點，化學環境用于機理的研討已成為現在的研討熱門。

Figure 1. Analysis of O-vacancy defects on the reduced Co。_3。O。_4。nanosheets. (a) Co K-edge XANES spectra, indicating a reduced electronic structure of reduced Co。_3。O。_4。. (b) PDF analysis of pristine and reduced Co。_3。O。_4。nanosheets, suggesting a large variation of interatomic distances in the reduced Co。_3。O。_4。 structure. (c) Co K-edge EXAFS data and (d) the corresponding k3-weighted Fourier-transformed data of pristine and reduced Co。_3。O。_4。 nanosheets, demonstrating that O-vacancies have led to a defect-rich structure and lowered the local coordination numbers.。

XRD。

XRD全稱是X射線衍射，即經過對資料進行X射線衍射來剖析其衍射圖譜，以獲得資料的結構和成分，是現在電池資料常用的結構組分表征手法。

原位XRD技能是當時儲能范疇研討中重要的剖析手法，它不只可掃除外界要素對電極資料產生的影響，進步數據的真實性和可靠性，還可對電極資料的電化學進程進行實時監測，在電化學反響的實時進程中針對其結構和組分產生的改動進行表征，然后能夠有更明晰的對系統的全體反響進行剖析和處理，并提醒其本征反響機制。因而，原位XRD表征技能的引進，可提高咱們對電極資料儲能機制的了解，并將快速推進高功能儲能器材的開展。

現在，陳忠偉課題組在對鋰硫電池的研討中獲得了突破性的發展，研討人員運用原位XRD技能對小分子蒽醌化合物作為鋰硫電池正極的充放電進程進行表征并解說了其反響機理（NATURE COMMUN., 2018, 9, 705），如圖二所示。經過各項表征證明了蒽醌分子中酮基官能團與多硫化物經過強化學吸附效果構成路易斯酸是提高鋰硫電池循環穩定性的要害。經過在充放電進程中小分子蒽醌與可溶性多硫化鋰產生“化學性吸附”，構成無法溶解于電解液的不溶性產品，然后完成對活性物質丟失的有用按捺，顯著地增加了電池的壽數。

Fig. 2 In-situ XRD analysis of the interactions during cycling.。 （。a。）。XRD intensity heat map from 4。^o。to 8.5。^o。of a 2.4 mg cm。^–2。cell’s first cycle discharge at 54 mA g。^–1。and charge at 187.5 mA g。^–1。, where triangles=Li。_2。S, square=AQ, asterisk=sulfur, and circle=potentially polysulfide 2θ. (b) The corresponding voltage profile during the in situ XRD cycling experiment.。

資料描摹表征。

在資料科學的研討范疇中，常用的描摹表征首要包含了SEM，TEM，AFM等顯微鏡成像技能?，F在資料的描摹表征已經是絕大多數資料科學研討的必備支撐數據，一個新穎且引人入勝的描摹電鏡圖也是宣布高水平論文的不二法門。而現在的研討論文也越來越多地會集在納米資料的研討上，并運用球差TEM等超高分辨率的電鏡來表征納米級尺度的資料，經過高分辨率的電鏡輔以EDX, EELS等元素剖析的插件來剖析測驗，以此獲得明晰的圖畫和數據并做剖析處理。

TEM。

TEM全稱為透射電子顯微鏡，便是把經加快和集合的電子束投射到十分薄的樣品上，電子在與樣品中的原子產生磕碰而改動方向，然后產生立體角散射。散射角的巨細與樣品的密度、厚度相關，因而能夠構成明暗不同的印象，印象將在擴大、聚集后在成像器材上顯示出來。運用原位TEM等技能能夠獲得資料描摹和結構實時產生的改動，如微觀結構的轉化或許化學組分的改動。在鋰硫電池的研討中，運用原位TEM來調查資料的描摹和物相改變具有重要的實際意義。Kim課題組在鋰硫電池的正極研討中運用原位TEM等描摹和結構的表征，深化的研討了資料的電化學功能與其描摹和結構的聯絡 (Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1602078.)，如圖三所示。

該作業運用多孔碳納米纖維硫復合資料作為鋰硫電池的正極，在大倍率下充放電時，運用原位TEM調查資料的描摹改動和硫的體積脹大，供給了新的辦法去研討硫的電化學功能并將其與體積脹大效應聯絡在了一同。

Fig.。 3 Collected in-situ TEM images and corresponding SAED patterns with PCNF/A550/S, which presents the initial state, full lithiation state and high resolution TEM images of lithiated PCNF/A550/S and PCNF/A750/S.。

資料物理化學表征。

UV-vis。

UV-vis spectroscopy全稱為紫外-可見光吸收光譜。吸收光譜能夠運用吸收峰的特性進行定性的剖析和簡略的物質結構剖析，此外還能夠用于物質吸收的定量剖析。UV-vis是簡潔且常用的對無機物和有機物的有用表征手法，常用于對液相反響中特定的產品及反響進程進行表征，如鋰硫電池系統中多硫化物的測定。

最近，晏成林課題組（Nano Lett., 2017, 17, 538-543）運用原位紫外-可見光光譜的反射形式檢測鋰硫電池充放電進程中多硫化物的構成，依據圖譜中不同方位的峰強度實時獲得充放電進程中多硫化物品種及含量的改動，如圖四所示。研討者發現當資猜中引進硒摻雜時，鋰硫電池在放電的進程中長鏈多硫化物的生成量顯著削減，然后有用地按捺了多硫化物的絡繹效應，進步了庫倫功率和容量堅持率，為鋰硫電池的機理研討及其實用化拓荒了新的途徑。

Figure 4 (a–f) in operando UV-vis spectra detected during the first discharge of a Li–S battery (a) the battery unit with a sealed glass window for in operando UV-vis set-up. (b) Photographs of six different catholyte solutions; (c) the collected discharge voltages were used for the in situ UV-vis mode; (d) the corresponding UV-vis spectra first-order derivative curves of different stoichiometric compounds; the corresponding UV-vis spectra first-order derivative curves of (e) rGO/S and (f) GSH/S electrodes at C/3, respectively.。

理論核算剖析。

跟著動力資料的大力開展，核算資料科學如密度泛函理論核算，分子動力學模仿等范疇的核算運用也得到了大幅度的提高，現在已經成為原子尺度上資料核算模仿的重要根底和核心技能，為新資料的研制供給厚實的理論剖析根底。

密度泛函理論核算（DFT）。

運用DFT核算能夠獲得系統的能量改動，然后用于核算資料從初態到末態所具有的能量的差值。經過不同的系統或許核算，能夠得到能量值如吸附能，活化能等等。此外還可用分子動力學模仿及蒙特卡洛模仿資料的動力學行為及結構特征。近來, Ceder課題組在新式富鋰資料正極的研討中（Nature 2018, 556, 185-190）獲得了重要效果，如圖五所示。這項研討運用蒙特卡洛模仿核算解說了Li2Mn2/3Nb1/3O2F 資料在充放電進程中的改動及其對資料結構和化學環境的影響。該項研討也為高功能富錳正極拓寬了其在電池范疇的新的運用。

Fig. 5 Ab initio calculations of the redox mechanism of Li。_2。Mn。_2/3。Nb。_1/3。O。_2。F. manganese (a) and oxygen (b) average oxidation state as a function of delithiation (x in Li。_2-x。Mn。_2/3。Nb。_1/3。O。_2。F) and artificially introduced strain relative to the discharged state (x = 0). c, Change in the average oxidation state of Mn atoms that are coordinated by three or more fluorine atoms and those coordinated by two or fewer fluorine atoms. d, Change in the average oxidation state of O atoms with three, four and five Li nearest neighbours in the fully lithiated state (x = 0). The data in c and d were collected from model structures without strain and are representative of trends seen at all levels of strain. The expected average oxidation state given in a-d is sampled from 12 representative structural models of disordered-rocksalt Li。_2。Mn。_2/3。Nb。_1/3。O。_2。F, with an error bar equal to the standard deviation of this value. e, A schematic band structure of Li。_2。Mn。_2/3。Nb。_1/3。O。_2。F.。

小結。

現在鋰離子電池及其他電池范疇的研討依然是如火如荼。但是大部分研討論文依然會集在運用慣例的表征對資料進行剖析，一些機理很難被慣例的表征設備所獲得的數據所證明，此外有深度的機理的研討還有待深化發掘。因而能深化的研討資猜中的反響機理，結合運用高難度的試驗作業并運用原位表征等有力的技能手法來實時監測反響進程，一起加大力度做根底研討并全面解說反響機理是宣布高水平文章的首要途徑。此外，結合各種研討手法，與多學科范疇相結合、彼此佐證給出完美的試驗依據來證明自己的觀念更顯得尤為重要。

本文由資料人專欄科技參謀羅博士供稿。

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