过渡金属共掺杂的TO?纳米棒在太阳能水分解过程中表现出更高的光电流和稳定性

《Electrochimica Acta》：Transition Metal Co-Doped TO 2 Nanorods Exhibiting Increased Photocurrent and Stability for Solar Water Splitting

1. 该研究通过实验与计算结合的方法，对比了纯电化学模型与全耦合电-化学-力学模型在预测固态锂离子电池（ASSLIB）性能中的准确性，验证了多物理场耦合的必要性。进一步揭示了电极/固态电解质界面几何结构（平面与图案化）对锂离子浓度梯度及机械应力分布的影响规律，指出图案边缘处应力梯度最大易引发裂纹，并探讨了几何参数优化对电池性能的调控作用。

　　

Tewelde Hailay Gebregeorgis | Rodrigo Lopez Baez | Joan R. Busacker | Louis De Taeye | Mats Meeusen | Xinhua Zhu | Annick Hubin | Mesfin Haile Mamme

研究小组：可持续材料工程（SUME），电化学与表面工程实验室（SURF），布鲁塞尔自由大学（VUB），Pleinlaan 2，1050布鲁塞尔，比利时

摘要

全固态锂离子电池（ASSLIBs）作为一种有前景的下一代技术正在兴起，但其实现受到诸多挑战的阻碍，例如电极/固态电解质（SE）界面问题。本文采用实验-计算相结合的方法来分析电极/SE界面几何结构与ASSLIB电池内部电化学-力学过程之间的相互作用。开发了两种基于物理的模型，它们在多物理场描述的水平上有所不同：一种是纯电化学模型，另一种是完全耦合的电化学-力学模型，用于定量比较这两种模型预测实验观察结果的准确性。完全耦合模型与实验数据高度吻合，在放电结束时容量差异小于0.5%；而纯电化学模型则显著偏离实验数据，容量估计值高出26.5%。这凸显了在准确预测中考虑力学现象和多物理场耦合的重要性。在此验证基础上，进一步利用耦合模型评估了平面和图案化（非平面）界面几何形状对ASSLIB性能的影响。研究发现，位于图案边缘附近的界面结构经历了最大的锂浓度和机械应力梯度变化，这是由于几何形状的急剧变化所致，表明该区域存在较高的机械故障风险，这一结论也得到了实验验证。本研究还探讨了图案几何参数的变化对ASSLIB性能的影响，旨在量化图案高度、宽度、间距以及基底层高度等因素的作用。研究结果深入分析了界面几何类型、锂浓度和应力分布之间的关系，为优化几何参数以限制机械故障提供了指导。

章节摘录

1. 引言

全固态锂离子电池（ASSLIBs）是一种下一代可充电储能技术，旨在克服现有商用锂离子电池的局限性[1,2]。通过使用固态电解质（SE）替代传统锂离子电池（LIBs）中易燃易挥发的液态电解质，ASSLIBs实现了更轻的重量、更小的体积、更长的使用寿命、更高的安全性和更高的能量密度[2,3]。

几何配置

本研究开发了一个基于物理的连续介质建模框架，用于定量分析电极/SE界面几何配置对ASSLIB性能的影响，并识别材料失效的热点区域。然而，实际应用于电动汽车等领域的ASSLIBs本质上是复杂的复合系统，由多相活性材料、SE、粘合剂和导电添加剂组成，这些成分在异质微观结构中复杂排列。

电极制备

采用Kurt J. Lesker公司的溅射设备（Mini SPECTROS/Nano 36手套箱）在充满氩气的手套箱内通过射频磁控溅射法制备了LMO薄膜。基底为Si晶圆，表面覆盖有300纳米厚的热生长SiO₂层，再涂覆10纳米厚的TiO₂，最后覆盖约100纳米厚的Pt作为电流收集层。将基底放入设备后，腔室被抽至高真空状态（1×10^-7 Torr），然后保持稳定。

模型的预测准确性

基于物理的锂离子电池及其它类型电池的模拟准确性在很大程度上取决于物理描述的精确程度、耦合效应以及参数假设。在之前的研究中，我们通过将静态参数假设与部分耦合的动态模型（其中动力学或力学参数随时间变化）以及完全耦合的动态模型进行对比，分析了参数假设和多物理场耦合程度对模型准确性的影响。

结论

ASSLIBs的性能受其组成材料的固有相互关联特性及外部操作条件的复杂相互作用支配。为了设计和评估其性能，深入理解这些相互关联的物理-电化学-力学-材料特性及其对电荷传输、结构稳定性和降解过程的影响至关重要。连续介质物理模型是进行详细分析的重要工具。

数据可用性

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

Tewelde Hailay Gebregeorgis：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法论设计、实验研究、形式化分析、数据整理、概念构思。 Rodrigo Lopez Baez：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法论设计、实验研究、形式化分析、数据整理、概念构思。 Joan R. Busacker：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、方法论设计、实验研究、形式化分析。