基于全場透射顯微術的上海光源納米三維成像線站BL18B具有三維結構成像分析上的獨特優勢，能夠為納米材料、能源、環境等眾多領域提供最先進的納米結構表征和研究手段。該線站主要實驗方法包括透射X射線顯微鏡(TXM)、納米CT和譜學成像等。近日，用戶先后在二維納米復合材料、全固態鋰金屬電池研究領域取得重要進展。
 

　　納米CT技術助力二維納米復合材料連續化制備及骨再生應用研究。石墨烯、碳化鈦MXene等二維納米材料具有優異的力學、電學、光熱轉換和生物相容性，在航空航天、柔性電子、生物醫學等領域具有重要應用前景。如何將二維納米材料連續化組裝成宏觀高性能納米復合材料，是實現這些應用亟需解決的關鍵科學問題。北京航空航天大學化學學院程群峰教授課題組和北京大學口腔醫學院鄧旭亮教授課題組在二維納米復合材料連續化制備及骨再生應用研究領域取得了最新進展。團隊聯合提出了卷對卷輔助刮涂結合有序界面交聯的新策略，規模化制備了有序交聯的MXene(S-SBM)薄膜。相關成果以《Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis》為題于2024年10月30日發表在《Nature》雜志上。該薄膜的納米CT重構結果表明，S-SBM薄膜相比未交聯MXene(S-MXene)薄膜具有更小的孔隙率，聯合廣角X射線散射結果，證實有序交聯過程可以抑制MXene納米片在干燥過程中的毛細收縮，從而規整密實組裝MXene納米片。此外，循環拉伸前后MXene薄膜的納米CT重構(圖h)結果首次證實了有序界面交聯作用可以大幅抑制二維納米復合材料內的裂紋擴展。這項研究解決了高性能二維納米復合材料連續化制備的長期挑戰，為其他二維納米材料的高性能規模化組裝及應用研究提供了新思路。
 

　　圖a,b右圖為根據納米CT結果得到的S-MXene(a)和S-SBM(b)薄膜的三維重構結果。圖h為循環拉伸前后MXene薄膜的納米CT重構結果，首次證實了有序界面交聯作用可以大幅抑制二維納米復合材料內的裂紋擴展。
 

　　譜學成像技術助力基于PEO固態電解質的高能量全固態鋰金屬電池研究。全固態鋰金屬電池(ASSLBs)使用聚合物作為電解質，被廣泛認為是實現高能量密度和提高安全性的最具有前景的系統。哈工大王家鈞課題組在實驗中通過引入具有強電子吸引能力的Mg2+和Al3+，與醚氧(EO)鍵有效配位，從而降低其對高價鎳的溶劑化能力，減弱PEO基聚合物電解質與正極材料之間的界面相互作用。PEO-Mg-Al-LiTFSI電解質展現出優異的氧化穩定性，抗氧化能力超過5.0 V，同時在室溫下實現了0.23 mS cm-1的離子電導率。實驗結果表明，這種改性的固態電解質組裝的全固態鋰金屬可穩定循環300次，表現出良好的循環穩定性和較低的界面阻抗。PEO-Mg-Al-LiTFSI組裝的固態鋰金屬電池可穩定循環300次。PEO-Mg-Al-LiTFSI固態電解質所組裝的軟包電池展現出高達586 Wh/kg-1的能量密度，且在50次循環后容量保持率為80.8%。研究團隊對固態電池正極顆粒的Ni元素進行了價態變化的同步輻射譜學成像方法表征。研究了不同電壓范圍內固態和液態電池沿各個方向發生的氧化還原反應以及電解質與富鎳陰極之間的相互作用，揭示了高電壓固態電池界面失效機制。通過優化Lewis酸與醚氧(EO)之間的配位，可提高聚合物固態電解質的離子電導率與電池內部的界面穩定性，探索其他類型的配位離子或功能化聚合物，也可以進一步提升聚合物固態電解質在極端條件下的電化學性能。這項研究為設計先進聚合物固態電解質開啟了新的思路。相關成果以《Strong Lewis-acid coordinated PEO electrolyte achieves 4.8 V-class all-solid-state batteries over 580Wh kg-1》為題發表在2024年10月23日的《Nature Communications》雜志上。
 

　　圖 a和b中的二維化學態相圖展示了PEO-LiTFSI和PEO-Mg- Al-LiTFSI 中的 Ni83 粒子(放電態)在循環后吸收邊能量的偏移。表明了Lewis酸配位效應提高了界面穩定性，促進了界面 Li+ 的傳輸和 SOC(State of Charge)的均勻性。