將鋰包裹在單個納米的密閉空間中，對于開發高性能鋰金屬陽極來說，這是非常有趣和非常可取的。這項工作旨在了解Li封裝及其在一維封閉空間內的受限生長動力學的機制。為了達到這個目的，非晶態碳納米管被用作原位透射電子顯微鏡的模型宿主。碳殼層具有雙重作用，提供幾何/力學約束和電子/離子傳輸通道，這極大地改變了鋰的生長模式。Li的生長/溶解是通過Li
+在電場方向上沿殼層擴散，在自由表面添加/去除原子，從而形成不同尋常的Li結構，如多晶納米線和獨立的二維超薄(1-2 nm) Li膜。這種限制的前沿生長過程主要由Li{110}或{200}生長面主導，這與納米管外單晶Li枝晶的根部生長不同。控制實驗表明，通過充分的氮/氧摻雜或預鋰化，使Li具有高的親硫性/滲透性，對于Li在aCNTs中的穩定包裹至關重要。基于第一性原理的計算表明，N/O摻雜可以降低Li
+滲透的擴散勢壘，并在能量最小化的驅動下促進Li填充，形成低能量的Li/C界面。
Figure 1. 單層非晶碳納米管內鍍鋰和剝離。a)原位透射電鏡實驗裝置示意圖。b) 透射電鏡快照顯示了鋰化(b
2)和鋰填充在aCNT (b
3-7)中，以及由于短路(b
8)導致的最終擊穿。藍色箭頭表示沉積前緣。c)鍍時Li向下生長(c
1-3)，鍍時Li從晶體兩側溶解(c
4-8)。建議的離子輸運路徑用(b)和(c)中的黃色虛線箭頭表示。
Figure 2. 納米管內多晶Li結構的形成與結構表征。a)在電鍍(a
1-3)和剝離(a
4-10)過程中Li段的形態演變，導致三晶Li芯納米線的形成。藍色箭頭表示鋰晶體之間的界面。b) (a)中的Li沉積/溶解過程示意圖，其中紅色虛線和黑色虛線分別表示Li
+離子和電子的傳輸途徑。c)通過傾斜試樣，Li包覆納米管的取向發生變化。d-f) (b)中圓形區域的SAED模式，以及對應的暗場圖像，分別顯示單晶Li段A和B。g) HRTEM圖像取自(f)的盒狀區域，顯示Li(110)晶格條紋。
Figure 3. 封裝鋰晶體沉積前沿的晶體學鑒定。a-d)不同周期形成的晶體的前表面，分別為Li{110}和{200}面。e-h)面和主前表面相互形成135°，分別識別為Li{110}和{200}面。-k)主前面上的小面生長和消失，均為Li{110}面，角度為120°。白線表示每個納米管的前表面和徑向面之間的傾角。(b)、(d)、(h)、(k)表示封裝后的Li晶體的相應衍射圖案。l){110}和{200}前表面的偏角分布。
Figure 4. a) Li納米晶的成核、生長和粒子融合1-4。b)鋰晶須的快速生長。c)生長中的Li晶體在電子輻照下的表面圓縮。
Figure 5. DFT計算揭示了O/N摻雜使Li包封在aCNT中的機制。a-d)優化DG+Li、N-DG+Li、O-DG+Li和N/O-DG+Li的結構和結合能。e-h) DG、N-DG、O-DG和N/O-DG在垂直方向(路徑1)和面方向(路徑2)上的Li
+擴散勢能曲線。i,j) Li
+通過逐步垂直擴散通過碳層的示意圖。
相關研究工作由廈門大學Ming-Sheng Wang課題組于2021年發表在《ADVANCED MATERIALS》上。原文：Mechanistic Probing of Encapsulation and Confined Growth of Lithium Crystals in Carbonaceous Nanotubes。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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