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在原子级上映射锂离子电池电极结构

发布时间:2018-05-14

原子分辨率扫描透射电子显微镜图像和电子衍射图案排列在电池图中,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随组成而变化。这些图像还显示了阴极表面如何具有与内部不同的结构。学分:伯克利实验室

锂离子电池广泛用于家用电子产品中,现在正用于为电动车辆提供动力并为电网储存能量。但是他们有限的充电次数和在其使用寿命期间容量降低的趋势已经促成了对改进技术的大量研究。

由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员领导的一个国际团队使用电子显微镜的先进技术来展示构成锂离子电池电极的材料的比例如何影响其在原子水平上的结构,以及表面与其余材料的差异如何。这项工作发表在能源与环境科学杂志上。

了解电池材料内部和表面结构如何在广泛的化学成分范围内变化,将有助于未来对阴极转化的研究,并可能导致新电池材料的开发。

伯克利实验室分子铸造研究所的科学家Alpesh Khushalchand Shukla说:“这一发现可能改变我们研究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,完全刻画原始状态以及骑自行车后的新材料非常重要,以避免误解。”

分子铸造研究中心的研究人员以前的一项研究表明,含有“过量”锂的阴极材料的结构,解决了长期以来的争论。

在美国国家电子显微镜中心(NCEM),分子铸造设施和英国达斯伯里的国家高级电子显微镜研究机构SuperSTEM使用一套电子显微镜,研究小组发现,尽管整个原子阴极材料的内部在所有组分中保持相同的结构图案,减少了锂的量,导致结构内某些原子位置的随机性增加。

通过比较不同的阴极材料组成与电池性能,研究人员还表明,通过使用较低的锂与其他金属的比例,可以优化与电池容量相关的电池性能。

最令人惊讶的发现是,未使用阴极的表面结构与阴极内部非常不同。在他们的所有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”阶段。以前的几项研究忽略了这一层可能出现在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,就像在一个新的饼干配方中尝试不同数量的成分一样,研究小组能够研究表面和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,并创建了每种结构的完整3D渲染图。

“在与电池技术相关的长度尺度上获得这样精确的原子级信息是一项挑战,”SuperSTEM实验室主任Quentin Ramasse说。 “这就是为什么电子显微镜中可用的多种成像和光谱技术使其成为可再生能源研究中不可或缺的多功能工具的最好例子。”

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,图像在电子穿过薄样品后形成。在传统的扫描透射电极显微镜(STEM)中,电子束聚焦到一个非常小的点(直径小到0.5纳米或十亿分之一米),然后该点在样品上来回扫描草坪上的割草机。

传统STEM中的检测器仅计数每个像素中有多少电子散射(或不散射)。然而,在4D-STEM中,研究人员使用高速电子探测器记录每个扫描点上每个电子散射的位置。它允许研究人员在大视野内以高分辨率测量样品的局部结构。

“引进高速电子相机使我们能够从非常大的样品尺寸中提取原子尺度的信息,”NCEM的研究科学家Colin Ophus说。 “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进行权衡 - 我们可以一次分析整个粒子的原子结构。”

伯克利实验室的分子铸造厂是美国能源部科学用户办公室。

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,基础科学办公室和小企业凭证试点计划的支持; Envia系统;和英国工程和物理科学研究委员会。

出版物:Alpesh Khushalchand Shukla等人,“组成对富锂和富锰过渡金属氧化物结构的影响”,Energy Environ。科学,2018,doi:10.1039 / C7EE02443F

资料来源:Laurie Chong,伯克利实验室