在最近的電池技術(shù)中，硫陰極的快速進(jìn)展刺激了對(duì)硫族其他元素的興趣，尤其是硒（Se）。Se陰極比容量為675 mAh g-1，僅次于S (1675 mAh g-1)，體積容量為3254 mAh cm-3，接近S(3467 mAh cm-3)。Se的電導(dǎo)率比S高25個(gè)數(shù)量級(jí)，熔化溫度比S高100°C，因此Se在電極動(dòng)力學(xué)和安全性方面具有改善性能的希望。
韓國高麗大學(xué)Seung-Ho Yu和康奈爾大學(xué)Hector D. Abruna等人在Energy & Environmental Science發(fā)表文章，Competitive nucleation and growth behavior in Li-Se batteries，用多種X射線表征方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Li-Se電池充放電過程中產(chǎn)物對(duì)成核和生長行為對(duì)直接觀測。作者通過X射線衍射(XRD)、X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)(XANES)和X射線成像的兩種模式（透射X射線顯微鏡(TXM)與相位對(duì)比增強(qiáng)）實(shí)時(shí)觀察以及提供化學(xué)狀態(tài)分布信息的XANES成像，直接探討了Se陰極的溶解和沉積反應(yīng)。通過這些技術(shù)跟蹤聚硒化物中間體轉(zhuǎn)化成硒的沉積過程，解析單個(gè)成核過程的時(shí)空信息，繪制了沉積硒的成核位點(diǎn)。作者發(fā)現(xiàn)，硒的成核和生長行為依賴于聚硒化物消耗，解決了舊核生長和新成核之間的競爭關(guān)系。充電過程中，Se的成核和長大是三維漸進(jìn)式的，核密度在增加，體積也在不斷增長，生長的形狀為樹枝狀。樹枝狀的Se沿著[001]方向擇優(yōu)生長，這是由于熱力學(xué)穩(wěn)定的六方硒具有高度各向異性的晶體結(jié)構(gòu)。通過跟蹤單個(gè)Se顆粒的生長情況，作者發(fā)現(xiàn)，擇優(yōu)成核模式和擇優(yōu)生長模式會(huì)形成競爭關(guān)系。在初次充電時(shí)，會(huì)形成較大的Se枝晶，在充電后期，大Se顆粒周圍會(huì)生成較小的Se顆粒，當(dāng)放電時(shí)，大Se顆粒無法完全反應(yīng)，形成死Se，造成容量的損失。而較小的Se顆粒能夠完全反應(yīng)，在第二次充電后，會(huì)形成新的成核位點(diǎn)。作者證明，與選擇性過度生長成Se枝晶相比，擇優(yōu)成核模式比擇優(yōu)生長模式可獲得更小、更均勻的沉積。此外，擇優(yōu)成核的使硒的利用更加有效，電池的容量能夠保持，這可以通過調(diào)整放電電壓，使放電后仍然保留有Se顆粒，作為充電時(shí)的Se的成核中心。通過增加核的密度，來提升電池的可逆性。本文的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了對(duì)硒陰極的基本機(jī)理的理解，并為高能量密度電池的發(fā)展提供了關(guān)鍵的見解。
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