金属玻璃原子尺度结构和性能的调控:关于深冷处理的综述

通过调控金属玻璃的原子尺度结构进而提高它们的力学、物理、化学性能极为重要。在过去几十年里,金属玻璃领域研究者投入了大量精力以开发有效调控方法,如深冷处理。本文综述了深冷处理对金属玻璃性能的影响及其对初始结构能量状态的依赖关系,聚焦了金属玻璃中原子结构随深冷处理的演化,这些内容对于深入理解金属玻璃深冷处理效应具有重要作用。

锂离子电池电极材料表界面结构的原子尺度表征

锂离子电池充放电过程中,锂离子的传输要穿过多种表面和界面,表界面的性质对电池的功率密度、能量密度、充放电效率、使用寿命、循环稳定性等具有重要的影响。表界面一般具有与体相不同的结构,在原子尺度上直接观察不同电化学状态下电极表界面的结构,有助于从更深层次认识电化学反应机理和性能演化规律,对于改善锂离子电池性能具有重要的指导意义。阐述了球差校正透射电子显微成像技术在研究电极材料表界面结构原子尺度研究中的应用,介绍了特殊的相界面、SEI、表面相变、表面掺杂等,探讨了表界面原子尺度结构与性能的内在关联,提出了改善电池性能的针对性建议,并对锂离子电池未来的发展从提高能量密度、避免固液界面副反应和改善电池性能三个方面进行了展望。

金电极与吡啶末端连接界面结构的力学变化过程理论研究

利用基于第一性原理的绝热拉伸模拟方法计算了4,4’-二吡啶分子与不同构型金电极之间的作用过程,研究了分子在外力作用下逐渐远离金电极过程中分子与电极间界面结构特有的演化过程以及体系能量与作用力的变化特征.结果显示,分子在远离锥形电极过程中很容易出现近于垂直地连接到锥形电极第二层金原子上的特有连接构型,同时由于吡啶末端的排斥作用,电极尖端的金原子偏向一侧.分子从第二层金原子上断开并连接到尖端金原子上需要1.3—1.5 nN的拉力作用,明显大于分子从尖端电极上断开所需要的0.8—1.0 nN的作用力,从而揭示了实验中二吡啶分子结在形成过程中作用力与界面构型变化之间的对应关系.4,4’-二吡啶分子与平面金电极的作用较弱,只需要不到0.5 nN的作用力就可断开,而当分子连接到吸附在平面电极表面的孤立金原子上时,可以承受约1.7 nN的作用力.以上研究表明基于第一性原理的绝热拉伸模拟方法不仅可以揭示分子与电极之间的界面结构演化过程,而且通过作用力的计算可以很好地识别实验中分子与电极间的特有界面结构.

扫描隧道显微镜单原子操纵技术及其物理机理

扫描隧道显微镜不仅使得人们的视野可以直接观察到物质表面上的原子及其结构 ,并进而分析物质表面的化学和物理性质 ,它还使得人们可以在纳米尺度上对材料表面进行各种加工处理 ,甚至可以操纵单个原子 ,这一特定的应用将会使人类从目前微米尺度的加工技术迅速跨入纳米尺度和原子尺度 .这将是推动人类科学和技术发展的一个无法估量和替代的动力 .文中介绍近年来这一前沿研究领域所取得的部分进展 ,并讨论原子操纵的物理机理和应用前景 .

高熵陶瓷固溶结构的透射电镜研究

高熵会带来热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应以及性能上的“鸡尾酒”效应,通过高熵设计来提高陶瓷材料的性能是目前研究的热点,而通过透射电镜揭示高熵结构及其与性能相关性的研究还很缺乏。本研究以相应金属氧化物、碳化硼和石墨为原材料,在制备高熵硼化物和高熵碳化物粉体的基础上,利用放电等离子体烧结制备得到高熵(TiZrHfNbTa)B2和(TiZrHfNbTa)C陶瓷。采用透射电子显微镜及其能谱分析手段对两种高熵陶瓷进行了纳米尺度和原子尺度的结构表征,发现过渡金属元素固溶后保持了晶体结构的完整性,五种元素分布均匀,但在原子尺度存在固溶元素的浓度振荡、原子离散和晶格应变。本工作获得的原子尺度的固溶结构信息将有助于对高熵陶瓷构效关系的理解,并为高熵陶瓷的组分和结构设计提供实验依据。

原子尺度锂离子电池电极材料的近平衡结构

锂离子电池充放电过程中电极材料的结构变化与材料的电化学反应机理和性能密切相关.通过在原子尺度上直接观察脱/嵌锂前后电极材料的近平衡微观结构,有助于从更深层次认识电极反应机理和性能演化规律,对于全面理解材料的电化学行为以及改善锂离子电池性能具有重要的指导意义.本文详述了球差校正扫描透射成像技术在研究电极材料表界面结构及反应机理方面的进展,探讨了未来建立电极材料原子尺度结构与性能相关联可能的研究方向.

锂离子电池高电压正极材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4的研究进展

锂离子电池在电子产品市场起着重要作用,而应用于可持续交通领域的高能量密度和功率密度的锂离子电池仍然得到广泛的研究。为了将锂离子电池的能量密度提高至200 W·h/kg以上,以尖晶石LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4(LNMO)作为正极材料,石墨作为负极材料的电池是最有希望的方案之一。这种电池具有很多优点,即工作电压高(约4.7 V vs.Li/Li^+)、可用比容量高(约135 mA·h/g)、倍率性能优异、成本相对较低。本文比较了两种空间群的LNMO(无序的Fd-3m和有序的P4~332)在原子尺度的结构差异以及相应的电化学性能差异,并阐述了二者之间的关系。详细报道了LNMO在首周充放电过程(3.5~4.9 V)中局部原子结构(特别是表面区域)。此外,综述了LNMO的合成方法以及对其包覆和掺杂的效果。除了传统的包覆和掺杂,我们报道了用纳米尺寸的TiO_2对LNMO进行表面修饰,结果表明LNMO的表面被TiO_2颗粒覆盖,并且Ti离子掺杂进入到LNMO表面几纳米的区域。此外报道了表面修饰对LNMO在25℃和55℃条件下的电化学循环性能的影响。