第一作者：Alice J. Merryweather通讯作者：Christoph Schnedermann, Clare P. Grey & Akshay Rao通讯单位：University of Cambridge 剑桥大学 【研究亮点】1.建立了光学干涉散射显微镜 (iSCAT) 作为一个快速、低成本的成像平台，以在单粒子水平上可视化和量化离子动力学。2.以LixCoO2层状正极材料为例，直接观测到了绝缘体到金属转变、固溶体和锂有序相变，并确定单粒子水平的锂扩散速率，从而确定了充电和放电过程的不同机制。3.捕捉到与Li0.5CoO2单斜晶格畸变相关的不同晶体取向之间畴边界的动态形成过程。 【主要内容】锂离子电池已成为广泛应用于大功率、中等规模储能的领先技术，包括电动汽车和便携式设备。电池性能进一步提升的一个主要挑战是了解和优化锂离子嵌入活性主体材料的过程。因此工况状态下的表征技术被用来研究电池工作中倍率性能的基本限制。然而，使用已有的电化学方法在电极材料中跟踪被驱动的离子迁移是非常具有挑战性的，因为活性颗粒通常在颗粒和电极水平中本质上是无序的，并且可以表现得不均匀。已经被广泛用于研究电极材料原位反应过程的先进同步光源和电子显微镜技术也有其缺点，包括成本高、耗时长，可能会受到光束辐照导致的样品降解的影响，并且通常需要高度专业化的电池设计。 因此，剑桥大学 Christoph Schnedermann, Clare P. Grey, Akshay Rao等人设计了一种简单可于实验室搭建的光学干涉散射显微镜来解析电池材料中的纳米尺度锂离子动力学，并将其应用于追踪LixCoO2 正极材料的单个颗粒的循环过程。通过使用这项技术，LixCoO2 正极材料的固溶体、双相和锂有序相变被清楚地解析并与整体电化学反应过程建立联系。从而确定了在双相转变过程中的优先反应机制：脱锂过程的向核心收缩的机制和锂化过程的插层波机制。通过提取单个颗粒的倍率性能和相界面移动速度，发现单个颗粒能够维持比电极材料整体倍率高得多的倍率性能，突出了LCO 固有的高倍率性能。此外，他们也观察到了单斜Li0.5CoO2中畴的实时形成和破坏。这些结果体现了这种散射显微镜方法能够实时观察纳米尺度上电子或结构相变的能力。 总体来说，使用这种光散射来探测电荷传输和电子结构变化的原理广泛适用于研究各种材料，对电池材料之外的铁电材料、纳米离子、生物电子学、光催化材料和忆阻器的研究同样具有普遍价值。 Fig. 1 | Electrochemical performance and interferometric scattering microscopy of an LCO electrode. Fig. 2 | Overview of the optical response of an active particle during battery operation. Fig. 3 | Behaviour of biphasic phase transitions upon delithiation and lithiation. Fig. 4 | Behaviour of biphasic phase transitions at various applied current densities. Fig. 5 | Dynamics of the monoclinic distortion at a composition of Li0.5CoO2, with and without domain formation. 【文献信息】Merryweather, A.J., Schnedermann, C., Jacquet, Q. et al. Operando optical tracking of single-particle ion dynamics in batteries. Nature 594, 522–528 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03584-2https://www.nature.com/articles/s41586-021-03584-2