在鋰離子電池中，過渡族金屬化合物材料反常的超出理論極限的額外容量現(xiàn)象引發(fā)了人們的廣泛關(guān)注。為了揭示這一關(guān)鍵科學(xué)問題，多位國際能源領(lǐng)域權(quán)威專家都對該現(xiàn)象提出了不同的理論解釋，如電極表面電解質(zhì)衍生層的形成與分解、含鋰物質(zhì)的氧化反應(yīng)、空間電荷存儲等。然而由于電極材料界面處的復(fù)雜性超出常規(guī)設(shè)備的測試能力，其蘊藏的儲能機制始終處于爭議中。

    近期，青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院李強、李洪森教授與加拿大滑鐵盧大學(xué)苗國興教授、美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校余桂華教授等人通力合作，利用自主構(gòu)建的原位磁性監(jiān)測技術(shù)（如圖1所示），結(jié)合自旋電子學(xué)理論揭示了過渡族金屬化合物Fe3O4的額外容量主要來源于過渡族金屬Fe納米顆粒表面的自旋極化電容，并證明這種空間電荷儲鋰電容廣泛存在于各種過渡族金屬化合物中，費米面處3d電子高電子態(tài)密度發(fā)揮了關(guān)鍵作用（如圖2所示）。該研究結(jié)論突破了人們對傳統(tǒng)鋰離子電池儲能方式（Insertion、Alloying、Conversion）的認(rèn)知，首次在實驗上直觀地證實了空間電荷存儲機制，并進(jìn)一步明確了電子存儲位置。該工作已于近期發(fā)表在DJ期刊《Nature Materials》[1]。

精彩圖文展示：

圖1 原位觀測Fe3O4鋰離子電池材料在充放電過程中的磁響應(yīng)，其中上圖為磁化強度變化，下圖為恒流充放電曲線。磁性測試出乎意料的發(fā)現(xiàn)在于，當(dāng)電壓由0.45 V降低到0.01 V時，電極磁化強度緩慢降低直至放電結(jié)束。這一發(fā)現(xiàn)表明還原產(chǎn)物金屬Fe顆?？梢岳^續(xù)參與反應(yīng)，這與經(jīng)典的鋰電池轉(zhuǎn)化反應(yīng)相矛盾。有趣的是，隨后充電到1.4 V時，體系磁化強度再一次增大。

圖2. 自旋極化電子在Fe0/Li2O界面的表面電容示意圖（EF，費米能）。a、鐵磁性金屬顆粒表面（放電前后）的自旋極化態(tài)密度示意圖。b、自旋極化電容模型中額外存儲鋰形成的空間電荷區(qū)。放電過程中還原出的Fe0納米顆粒分布在Li2O介質(zhì)中，具有大的表面/塊體比率且費米面處具有高的電子態(tài)密度。大量的電子可以存儲在Fe0納米顆粒中的自旋劈裂能帶中，從而產(chǎn)生自旋極化電容。

    值得注意的是，本文使用的樣品桿是研究人員經(jīng)過多年努力自主設(shè)計的，他們將電化學(xué)工作站與綜合物性測試系統(tǒng)（PPMS）中的振動樣品磁強計選件（VSM）進(jìn)行了有效結(jié)合，成功地構(gòu)建了鋰離子電池原位磁性測試系統(tǒng)來觀察鋰電池充放電過程中的磁響應(yīng)。文中所使用的PPMS系統(tǒng)具有高靈敏度磁性測試等優(yōu)勢，可作為研究能源材料原子尺度臨近范圍內(nèi)的原子探針，是研究雜質(zhì)相和局部電子分布的全新“利器”，獲取其他傳統(tǒng)技術(shù)所不能測得的信息。

圖3 PPMS Dynacool系統(tǒng)示意圖

    基于該測試系統(tǒng)，本文研究者破解了多年爭議，首次在實驗中揭示了電池容量會超過理論極限的關(guān)鍵問題，不僅為設(shè)計下一代高性能儲能器件提供了新方向，也為能源材料的設(shè)計制備提供了一種有力的測試分析技術(shù)。

    在這里我們恭喜我們的PPMS用戶取得了新的突破，也祝愿他們科研事業(yè)更上一層樓！

參考文獻(xiàn)：

[1] Extra storage capacity in transition metal oxide lithium-ion batteries revealed by in situ magnetometry, Nature Materials, 2020, https://doi.org/10.1038/s41563-020-0756-y

       基于二維材料的范德瓦爾斯界面在光電子器件領(lǐng)域具有廣泛的發(fā)展前景，不同材料組成的界面可以在很大程度上調(diào)控器件的發(fā)光光譜范圍。然而，層間堆疊方式不同帶來的晶格失配以及錯位都會YZ電子與聲子耦合作用，影響光電器件的工作效率。近期，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的的Alberto F. Morpurgo?教授課題組在《自然-材料》雜志上發(fā)表了低溫光致發(fā)光光譜研究設(shè)計范德瓦爾斯界面的工作。通過組合導(dǎo)帶底部與價帶頂部都在Γ點（倒格矢空間）的二維晶體材料，形成范德瓦爾斯界面，避免了動量失配。這樣的范德瓦爾斯界面將不受光學(xué)躍遷與晶格常數(shù)、兩層材料之間旋轉(zhuǎn)角或者晶格錯位的影響，為基于二維原子晶體的光電子器件的發(fā)展打下了重要的基礎(chǔ)。

       雙層或者多層過渡金屬硫化物（例如WS₂，MoS₂, MoSe₂ ）的價帶頂部在Γ點，可以與導(dǎo)帶底部在Γ點的多層InSe材料形成范德瓦爾斯界面，該界面允許直接躍遷。通過分析光致發(fā)光光譜（PL光譜）對雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的測量結(jié)果（見圖1），可以判定雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的直接躍遷存在且能量為1.55eV。

圖1. (a)雙層InSe與雙層WS₂的結(jié)構(gòu)示意圖。 (b)雙層InSe與雙層WS₂的能帶圖。(c）溫度5K時雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的光致發(fā)光光譜， 內(nèi)置圖：2L-InSe/2L-WS₂光學(xué)照片。比例尺：10微米。

       通過分析發(fā)光光譜隨溫度變化的數(shù)據(jù)（圖2a-b），研究者發(fā)現(xiàn)雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的直接躍遷發(fā)光光譜隨溫度降低強度增加。該界面發(fā)光光譜隨激光強度增加的變化（圖2c）也表明其發(fā)光機制是直接躍遷。圖2d為6層InSe與雙層WS₂界面切面SEM電鏡圖。通過分析該6層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面的切面發(fā)光光譜的旋光數(shù)據(jù)（圖2e）可直接證實該界面是直接躍遷的機制。

圖2. (a-b): 雙層InSe與雙層WS₂范德瓦爾斯界面PL光譜隨溫度變化數(shù)據(jù)圖。(c):光譜隨激發(fā)激光強度的變化。(d):6層InSe與雙層WS₂界面切面的SEM電鏡圖。（e）6層InSe與雙層WS₂界面切面處發(fā)光光譜的旋光數(shù)據(jù)圖。

       研究者也分析了多層InSe與雙層WS2范德瓦爾斯界面PL光譜（圖3a-b）以及四層InSe與多層WS2范德瓦爾斯界面PL光譜。綜合分析以上不同層數(shù)二維材料組成的范德瓦爾斯界面PL光譜的能帶圖以及實驗數(shù)據(jù)，表明該不同層數(shù)二維材料組成的范德瓦爾斯界面未受到兩層材料之間旋轉(zhuǎn)角或者晶格錯位的影響而存在層間發(fā)光光譜。

圖3.  (a) 多層InSe與雙層WS2范德瓦爾斯界面PL光譜數(shù)據(jù)，溫度為5K。(b): InSe與雙層WS2范德瓦爾斯界面PL光譜能量與InSe層數(shù)關(guān)系圖。(c): 四層InSe與多層WS2范德瓦爾斯界面PL光譜能量與WS2層數(shù)關(guān)系圖。

       文章中，作者使用了德國attocube公司的attoDRY系列低溫恒溫器來實現(xiàn)器件在極低溫條件下使用熒光光譜分析二維材料中的范德瓦爾斯界面。文章實驗結(jié)果表明通過合理的選擇二維材料組合成范德瓦爾斯界面，可以設(shè)計出具有很寬廣發(fā)光范圍的光電器件。

圖4：低振動無液氦磁體與恒溫器—attoDRY系列，超低振動是提供高分辨率與長時間穩(wěn)定光譜的關(guān)鍵因素。

attoDRY2100+CFM I主要技術(shù)特點：

+ 應(yīng)用范圍廣泛:  PL/EL/ Raman等光譜測量

+ 變溫范圍：1.8K - 300K

+ 空間分辨率：< 1 mm

+ 無液氦閉環(huán)恒溫器

+ 工作磁場范圍：0...9T (12T, 9T-3T，9T-1T-1T矢量磁體可選)

+ 低溫消色差物鏡NA=0.82

+ 精細(xì)定位范圍： 5mm X 5mm X 5mm @ 4K

+ 精細(xì)掃描范圍：30 mm X 30 mm@4K

+ 可進(jìn)行電學(xué)測量，配備標(biāo)準(zhǔn)chip carrier

+ 可升級到AFM/MFM、PFM、ct-AFM、KPFM、SHPM等功能

參考文獻(xiàn)：

[1]. Nicolas Ubrig? et al, Design of van der Waals interfaces for broad spectrum optoelectronics, Nature Materials,19,299–304 (2020) 

拓展紅外分析新境界，全新的Spectrum 3? FT-IR光譜儀在近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外三個紅外光譜范圍內(nèi)，都能達(dá)到非凡的分析性能，具有wu與倫比的性能和取樣靈活性。

Spectrum 3 FT-IR

shou個提供全集成的熱重—紅外（TG-IR）聯(lián)用解決方案的FTIR光譜儀平臺。

快速掃描能力，掃描速度可達(dá)100次/秒，為新材料開展高級研發(fā)，提供了新一代研究手段。

通過云連接共享IR數(shù)據(jù)，加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度，可以隨時隨地，使用任意設(shè)備進(jìn)行協(xié)作。

現(xiàn)在，所有Spectrum 3 FT-IR應(yīng)用資料，我們?yōu)槟鷾?zhǔn)備好啦！

互動宣傳冊

Spectrum 3 FT-IR互動宣傳冊

應(yīng)用案例

使用 Spectrum 3紅外光譜儀對原料藥進(jìn)行分析

在快速掃描FT-IR光譜儀上使用停流系統(tǒng)對快速化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測

采用FT-IR光譜儀，在遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域中的衰減全反射(ATR)測量

氰基丙烯酸酯固化的時間分辨FT-IR分析

Spectrum 3紅外光譜儀的多波段紅外應(yīng)用案例

使用我們提供的全套材料表征產(chǎn)品，重新裝備您的實驗室！

了解更多應(yīng)用資料和產(chǎn)品信息，掃描下方二維碼，下載珀金埃爾默Spectrum 3相關(guān)資料。

國產(chǎn)密碼綜合實驗系統(tǒng)是一套結(jié)合了密碼學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)安全等前沿技術(shù)的綜合試驗系統(tǒng)，專門針對高等院校網(wǎng)絡(luò)安全相

關(guān)專業(yè)學(xué)生和科研機構(gòu)從事網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的科研技術(shù)人員研發(fā)，本試驗系統(tǒng)由國產(chǎn)密碼綜合實驗箱、上位程序、云平臺安全

服務(wù)后臺和配套實驗四部分組成。

本實驗系統(tǒng)內(nèi)嵌符合國家標(biāo)準(zhǔn)的國密算法加密模塊，支持優(yōu)化的快速SM2、SM3、SM4算法，內(nèi)置256比特的隨機數(shù)發(fā)生

器，液晶屏能實時測量顯示加密算法執(zhí)行時間、當(dāng)前執(zhí)行操作和執(zhí)行結(jié)果，內(nèi)置NBIOT 模塊，能開展物聯(lián)網(wǎng)實驗和數(shù)據(jù)上

云，上位機有配套的桌面測試程序和豐富的C語言參考實現(xiàn)代碼組成，能夠演示各種國密算法實驗、NBIOT的基礎(chǔ)操作和網(wǎng)

絡(luò)安全通信實驗和加密綜合實驗等，是信息安全專業(yè)不可多得的一款利器。