伯克利實驗室：用原子級精度繪製鋰離子電池材料

研究人員繪製了電池材料的原子圖，並探討了其成分對結構的影響。

鋰離子電池廣泛用於家用電子產品中，現在正投身於電動車輛動力提供和電網能量儲存。但鋰電池有限的充電次數和在其使用壽命期間容量降低的趨勢，已經促成了對改進技術的大量研究。

由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）研究人員帶領的國際團隊使用電子顯微鏡的先進技術，用以展示鋰離子電池電極的材料比例如何影響其原子級別的結構，以及表面與其餘材料的差異。這項工作成果發表在《能源與環境科學》雜誌上。

掌握電池材料內部和表面結構如何在廣泛的化學成分範圍內變化，將有助於未來對陰極轉化的研究，並可能推動新電池材料的開發。

伯克利實驗室分子鑄造研究所的科學家Alpesh Khushalchand Shukla表示：「這一新發現可能會改變研究陰極內相變的方式，以及由此導致的同類材料的容量損失。研究工作表明徹底刻畫新材料的原始狀態以及使用後狀態極其重要，以避免誤解。」

分子鑄造研究中心的研究員以往的研究表明，含有「過量」鋰陰極材料的結構，可解決長期以來的爭論。在分子鑄造廠美國國家電子顯微鏡中心（NCEM）和英國達斯伯里的國家高級電子顯微鏡研究機構SuperSTEM分別使用一套電子顯微鏡後，研究小組驚奇發現，儘管整個原子級陰極材料的內部在所有組分中保持相同的結構圖案，減少鋰的量將導致結構內某些原子位置的隨機性增加。

通過比較不同的陰極材料組成與電池性能，研究人員還表明：通過使用較低比例的鋰與其他金屬可以優化電池性能與容量的關係。最令人驚訝的發現是：未使用陰極的表面結構與陰極內部非常不同。在研究者進行的所有實驗中都發現了表面具有不同結構的薄層材料，並稱為「尖晶石」階段。之前的多項研究則忽略了該薄層材料可能出現在新陰極或已使用陰極這一事實。

通過系統地改變鋰與過渡金屬的比例，就像在一個新的餅乾配方中嘗試不同數量的成分一樣，研究小組能夠研究表面和內部結構之間的關係並測量材料的電化學性能。該團隊從多個角度拍攝了每批陰極材料的圖像，並創建了每種結構的完整的3D渲染圖。

SuperSTEM實驗室主任Quentin Ramasse認為：「在與電池技術相關的長度尺度上獲得這樣精確的原子級信息是一項挑戰，這就是為何電子顯微鏡憑藉多種成像和光譜技術成為可再生能源研究中不可或缺的多功能工具的最好例子。」

研究人員還使用了一種新開發的技術，稱為4-D掃描透射電子顯微鏡（4-D STEM）。在透射電子顯微鏡（TEM）中，圖像在電子穿過薄樣品後形成；在傳統的掃描透射電極顯微鏡（STEM）中，電子束聚焦到一個非常小的點（直徑小至0.5納米或十億分之一米），然後該點在樣品上來回掃描工作，如同草坪上的割草機。

傳統STEM中的檢測器僅計數每個像素中有多少電子散射（或不散射）。然而在4D-STEM中，研究人員使用高速電子探測器記錄每個掃描點上每個電子散射的位置，它允許研究員在大視野內以高解析度測量樣品的局部結構。

NCEM的研究科學家Colin Ophus補充道：「引進高速電子相機使我們能夠從非常大的樣品尺寸中提取原子尺度的信息。4D-STEM實驗意味著我們不再需要在可解析的最小特徵與可觀察的視場之間進行權衡-即可以一次分析整個粒子的原子結構。」

文章來自DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory網站，原文題目為Mapping battery materials with atomic precision，由材料科技在線匯總整理。

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