锂离子电池电极结构的原子级映射

排列在电池上的原子分辨率扫描透射电子显微镜图像和电子衍射图显示了电池阴极内部使用的富锂和富锰过渡金属氧化物的结构如何随组成变化。这些图像还显示了阴极的表面与内部的结构不同。

锂离子电池广泛用于家用电子产品，现在正用于为电动汽车供电并为电网存储能量。但是，它们的充电循环次数有限，并且在其整个使用寿命中容量都会降低，这促使人们进行了大量的研究以改进技术。

由美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员领导的一个国际小组在电子显微镜中使用了先进的技术，以显示构成锂离子电池电极的材料比例如何在原子水平上影响其结构，以及表面与材料的其余部分有何不同。这项工作发表在《能源与环境科学》杂志上。

知道电池材料的内部和表面结构如何在各种化学成分范围内发生变化，将有助于未来对阴极转变的研究，也可能导致开发新的电池材料。

伯克利实验室分子铸造厂的科学家，该研究的主要作者阿尔佩什·胡斯哈尔昌德·舒克拉说：“这一发现可能会改变我们观察阴极内相变的方式以及由此导致的这类材料的容量损失。”“我们的工作表明，在原始状态下以及在循环之后，完全表征一种新材料非常重要，这样可以避免误解。”

专门研究纳米级科学的研究中心Molecular Foundry的研究人员先前的工作揭示了含有“过量”锂的阴极材料的结构，解决了长期以来的争论。

研究小组使用位于分子铸造厂的国家电子显微镜中心（NCEM）和位于英国达里斯伯里的国家高级电子显微镜研究设施SuperSTEM中的一套电子显微镜，研究小组发现，整个原子阴极材料的内部在所有组成中都保持相同的结构样式，锂的减少导致结构中某些原子位置的无规性增加。

通过将正极材料的不同组成与电池性能进行比较，研究人员还表明，通过使用较低比例的锂与其他金属，可以优化与容量相关的电池性能。

最令人惊讶的发现是未使用的阴极的表面结构与阴极的内部非常不同。在他们所有的实验中都发现了表面上具有不同结构的薄层材料，称为“尖晶石”相。先前的几项研究都忽略了该层可能同时存在于新的和使用过的阴极上。

通过系统地改变锂与过渡金属的比例，例如尝试在新的曲奇配方中尝试不同量的成分，研究团队能够研究表面与内部结构之间的关系并测量材料的电化学性能。该团队从多个角度拍摄了每批阴极材料的图像，并为每个结构创建了完整的3D渲染。

SuperSTEM实验室主任Quentin Ramasse表示：“在与电池技术相关的长度尺度上获得如此精确的原子级信息是一项挑战。”“这是为什么电子显微镜中的多种成像和光谱技术使其成为可再生能源研究中必不可少且用途广泛的工具的一个完美例子。”

研究人员还使用了一种新开发的技术，称为4-D扫描透射电子显微镜（4-D STEM）。在透射电子显微镜（TEM）中，在电子通过薄样品后形成图像。在传统的扫描透射电极显微镜（STEM）中，电子束会聚到非常小的斑点（直径小至0.5纳米，即十亿分之一米），然后像在样品上一样来回扫描该斑点。在草坪上的割草机。

传统STEM中的检测器仅计算每个像素中有多少电子被散射（或不散射）。但是，在4D-STEM中，研究人员使用高速电子探测器记录每个电子从每个扫描点散射的位置。它使研究人员可以在较大的视野内以高分辨率测量样品的局部结构。

NCEM的研究科学家Colin Ophus说：“高速电子照相机的引入使我们能够从非常大的样本尺寸中提取原子级信息。”“ 4D-STEM实验意味着我们不再需要在我们可以解析的最小特征与我们正在观察的视场之间做出权衡–我们可以立即分析整个粒子的原子结构。”

伯克利实验室的Molecular Foundry是美国能源部科学使用者办公室。

这项工作得到了美国能源部能源效率和可再生能源办公室，基础科学办公室以及小型企业优惠券试行计划的支持； Envia系统；以及英国工程与物理科学研究委员会。

出版物：Alpesh Khushalchand Shukla等人，“组成对富含锂和锰的过渡金属氧化物的结构的影响”，Energy Environ。科学，2018，doi：10.1039 / C7EE02443F