2.2.晶体对电化学电池扰动响应的各向异性
基于给定材料的属性描述了材料的响应与施加于它的特定刺激之间的关系,可以利用与电化学特性相关的各向异性来实现电池的良好电化学性能。基于输运性质,形貌稳定性,化学稳定性,化学机械稳定性。
3.制备织构电极的可扩展策略
数十年来,在宏观长度尺度上实现晶体的定向排序已经在不同的领域中实现,例如冶金、电镀、液晶、陶瓷和凝聚态物理,其本质是利用晶体系综对具有目标各向异性的给定外部扰动的各向异性响应;它可以是场(磁/电/应变/流体动力学)、定向过程(蒸发)、织构衬底等。对于电池电极,织构可以在制造过程中原位或电池循环期间原位发生。后者主要适用于金属负极,其循环过程中涉及结晶材料的产生和溶解。其主要策略包括:
1)磁场/电场感应织构,晶体的取向顺序通过磁场调整到不同的水平,即随机、织构和单晶,其中旋转自由度分别完全可用、部分保留和几乎消除。同时,电场是一种与磁场互补的方法,可以在晶体学或几何学上排列各向异性材料,但由于产生可控电场的技术复杂性,可能对其进行的探索要少得多。鉴于传统外部电场的双极性质,它可用于生成具有与电化学电池固有的单轴对称性相匹配的晶体结构;
2)自/模板组装,纳米/微米级结构(纳米片和纳米线)可以自组装或模板组装,以形成具有不同类型结构顺序的宏观阵列;
3)冶金/流变学,当各向异性物质在外加应力下经历塑性流动(又称塑性变形)时,会出现类似的定向有序现象。这种由塑性流动引起的排序主要发生在两种情况下:悬浮液或固体。尽管它们的特定微观结构机制非常不同,但这两种方法利用各向异性物质对驱动材料塑性流动的外部施加的机械力的响应。在前一类中,已知悬浮在溶剂中的各向异性材料在机械刺激下倾向于发展优先取向。在后一种情况下,晶体固体的塑性流动是一种质量传递,其机制比流体中的三种传统质量传递路径更复杂和各向异性;
4)沉积,在衬底上产生新的固相,其沉积一般涉及到两个基本步骤:成核和生长。在前者中,由于新界面的产生,系统克服了与表面能增量相关的能垒;在后者中,固体在沉积结构上连续生长。由于热力学和/或动力学起源,可以在两个步骤中产生晶体结构。
4.电极织构的表征
内在的晶体取向顺序的表征,及其在动态电化学扰动下的演变,为促进电极的科学理解和合理设计织构电极材料提供了指导。与化学和块状晶体结构的识别相比,电池电极晶体结构的特定表征处于发展阶段。其中,晶体取向顺序的直接测量需要使用具有与特征晶面间距相当的波长的探针。具有波状行为的颗粒,如光子、电子和中子,可以被调整以拥有一定的能量,因此具有适合晶体学表征的波长。通过在倒易空间(例如,使用衍射技术)或真实空间(例如,使用扫描探针技术)中映射电极的组成晶体,可以直接评估晶体结构。
这两种方法各有优缺点。简而言之,倒易空间测量提供了对具有足够大光斑尺寸的电极中微晶宏观收集的统计信息的快速访问,而实际空间测量则揭示了具有空间分辨率和有时化学分辨率的详细局部信息。这两组工具已被证明对于在不同环境或不同阶段表征电极织构至关重要。