中科院物理所拱越&谷林Carbon Energy：储能材料中的基本结构自由度

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研究背景

建立构-效关系是材料科学研究的重点。在信息化社会高速发展的背景下，储能材料特别是锂电池材料在日常生活和研究领域中变得尤为重要。随着研究的不断推进，诸如无Co少Ni、阳离子无序、4f和5d元素的引入和全固态电池等，都是下一阶段锂电池材料体系的重要发展方向。在功能材料中，表界面等局域结构的变化对材料的性能起到了决定性的作用。为了更好地理解和改进储能材料的性能，要求我们从基础的局域对称性出发建立构-效关系。局域对称性可由四个基本自由度描述：晶格、电荷、轨道和自旋。透射电子显微方法是微观结构解析的最佳手段之一，对于以上四个自由度的结构信息具备优异的解析能力。因此，本综述从局域对称的四个基本自由度出发，阐述了电子显微方法在建立锂电池材料中构-效关系的作用。

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文章介绍

中科院物理所拱越博士（现国家纳米科学中心副研究员）、谷林研究员（现清华大学教授）从决定局域对称性的四个基本自由度出发，针对锂电池材料系统地阐述了晶格、电荷、轨道和自旋与材料性能如容量、电位、倍率和可逆性等之间的关系。

在储能材料性能和基本结构自由度之间存在着相互的关联，容量反映了材料中可移动离子的总量及其所携带的电荷，主要由晶格结构和电荷结构所决定。晶格决定了可迁移离子的数量和通道，电荷决定了离子所携带的电量；电位主要由费米能级和功函数所决定，属于轨道层次结构；倍率性能反映了充放电过程的速率，主要由电子电导和离子电导所决定，属于晶格和轨道层次结构；可逆性反映了材料的循环能力和结构稳定性，主要可以分为结构可逆性、变价的可逆性和轨道的可逆性，属于晶格、电荷和轨道层次的结构信息。

结构表征方面，在晶格自由度层次，球差校正透射电镜可以实现50pm的空间分辨率，能够直接解析局域结构扭曲带来的功能性的结构起源；在电荷自由度层次，通过EDS和EELS等方法，可以在原子尺度得到元素和价态信息；在轨道自由度层次，通过DPC和CBED等方法，可以得到局域的空间电荷分布情况；在自旋自由度层次，EMLD、EMCM、涡旋电子束等方法可以得到自旋结构信息。但是自旋结构的高空分辨率表征和自旋结构在储能材料中的应用仍然有很大的空间去发掘。进一步根据电池材料的敏感性和在服役条件下结构实时变化的特点，作者介绍了低损伤和原位电子显微分析方法在电池材料中的具体应用。最后作者分别从四个基本结构自由度的角度出发对于储能材料的发展方向进行了展望。

文章以题目为“Degrees of freedom for energy storage material”发表在Carbon Energy。

相关论文信息

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论文标题：

Degrees of freedom for energy storage material

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.195

DOI:10.1002/cey2.195

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