近日，上海大学理学院物理系上海市高温超导重点实验室硕士研究生宁苑杰与合作者在《Chemical Engineering Journal》（中科院一区top期刊）上发表题为《Orientation-dependent Electronic Structure of Li2WO4Films Epitaxial Grown on LiCoO2by Spontaneous Lithiation》的研究论文。文章的合作者有：上海大学尹鑫茂教授、蔡传兵教授、张登松教授、袁帅教授、孙硕副教授、曾志刚副教授及新加坡国立大学陈智新博士等。上海大学为第一完成单位和通讯单位。
氧原子的轨道杂化很难量化，但在工程中却对许多物理化学系统（如电池）至关重要，如电池和电催化等。含锂过渡金属氧化物LiCoO2由于其优良的性能已成为锂离子电池极有前途的正极材料。然而，由于界面反应和结构损坏带来的容量衰减和电压衰减等挑战阻碍了LiCoO2在高压下的性能。通过表面涂层例如过渡金属氧化物薄膜层可以有效缓解这些问题并提高LiCoO2电极的性能。其中，Li2WO4作为一种具有高离子电导率和低电子电导率的固体锂离子电解质被发现可以作为LiCoO2电极的涂层，通过屏蔽电极与液态电解质反应并增强锂离子扩散的方式提高电极性能。然而由于无定形和复杂的界面环境，对Li2WO4特别是单晶薄膜的本质性质研究尚不充分，这可能为锂电池正极界面研究、氧原子的轨道杂化和提高电极性能提供关键线索。
在这篇最新论文中，研究人员通过自发锂化在LiCoO2种子层上定向可控地外延生长了Li2WO4单晶，并详细研究了不同晶格取向生长的单晶Li2WO4薄膜的电子结构。利用多种光谱学手段，包括：同步辐射X射线吸收光谱(XAS)，高分辨率X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)等光谱技术，并结合第一性原理计算，发现了单晶Li2WO4中O2p和W5d轨道之间的轨道杂化存在明显的晶格取向依赖性和各向异性。该研究揭示了氧原子的轨道杂化及晶面生长取向在决定和调整单晶Li2WO4系统电子结构中的作用，为Li2WO4/LiCoO2界面的机理理解提供了重要的见解。此外，通过这种全面的光谱研究，可以进一步推进全固态锂离子电池的应用和开发。
本工作得到国家自然科学基金项目(批准号:52172271,12374378,52307026)，国家重点研发计划项目(批准号:2022YFE03150200)，上海市科技创新计划项目(批准号:22511100200,23511101600)的资助。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724057887
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