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浙大 陆俊 Small Structures:可充电离子电池正极材料电化学机理的原位TEM研究

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第一作者:李彦帅

第一单位:温州大学

在众多能量存储技术中,二次离子电池凭借其自身的储能和转换功能,能够有效实现化学能和电能的快速转换或储存,并能在现实中灵活应用于各种场景。正极材料在决定二次离子电池的整体性能方面起着关键作用。为了开发二次离子电池中的先进电极材料,深入了解复杂的电化学反应机制至关重要。在这方面,原位透射电子显微镜(TEM)具有以高空间和高时间分辨率可视化材料动态过程的能力,因此越来越受到关注。然而,由于技术上的困难,目前关于二次离子电池正极材料电化学行为的原位TEM研究较少,这导致了基础认知和实际优化之间存在巨大的差距。基于此,浙江大学陆俊教授和温州大学袁一斐教授以层状材料和橄榄石型材料作为两个代表性例子总结了近期关于原位TEM技术在研究二次离子电池正极材料电化学机制方面的技术进展,旨在展望该技术在未来推动正极材料进一步发展的前景。

[主要内容]

1、应用于正极材料研究的原位TEM技术

原位TEM技术不仅能实现薄样品的原子尺度可视化和材料局部相特征的衍射分析,还可以利用电子能损失谱(EELS)和X射线能量色散谱(EDS)等工具提供关键的物质成分信息。固态和液态原位TEM是研究正极材料的两种常用原位微观装置。固态原位TEM通过探针型和芯片型两种方式监测正极材料的动态电化学反应过程。液态原位TEM则利用离子液体或密封微观液态电池技术研究正极材料的电化学行为。这些技术为深入了解正极材料的电化学机制提供了重要实验手段,推动正极材料的进一步发展。

图1. a-b固态原位TEM装置示意图;c-d液态原位TEM装置示意图

2、多种正极材料电化学行为的原位TEM研究

原位TEM技术在研究各种正极材料的电化学行为方面具有重要应用。对于层状材料,如商业化的层状过渡金属氧化物LiCoO2,利用探针型固态TEM或芯片型固态TEM装置可以实现原子尺度的实时动态观察,揭示了在高电压条件下的结构演化、界面问题和氧气释放反应等重要信息。类似地,针对富镍和富锂层状正极材料,也可以通过固态TEM技术实时观察其晶体结构相转变和缺陷生成等过程。液态TEM技术则适用于研究橄榄石型LiFePO4正极材料在液态电池环境中的电化学行为。通过密封液态电池和能谱分析,可以实现对正极材料的动态反应观察,揭示离子嵌入脱出过程中的关键反应机制。通过原位TEM技术的应用,有助于深入理解这些正极材料的电化学行为和劣化机制。

图2. 层状正极材料储能机理的原位TEM研究进展

图3. 原位TEM研究橄榄石型正极材料锂化/脱锂机制的最新进展。

3、机遇与未来展望

原位TEM技术是实时探测正极材料电化学反应的强大工具。然而,无论是在全固态电池还是液态电池中,原位TEM技术仍需进一步改进和完善。例如,研究多晶富镍二次颗粒中的颗粒间相互作用行为是具有挑战性的,需要开发更精细的样品制备技术或增强颗粒间的界面接触;探针式纳米电池仅能研究载流子脱出反应,无法对正极材料进行完整的载流子脱嵌循环研究;此外,发展低剂量图像处理技术和高灵敏度的电子探测器也非常关键。芯片型液体电池技术存在尺寸和形态限制,优化芯片窗口和减小液体层厚度有助于在液体电池中实现原子尺度上观察CEI的反应机理和形成机制。综上所述,随着硬件设计和技术发展的进一步完善,我们相信原位TEM技术可以解决二次离子电池正极材料中更多的关键问题,从而推动二次离子电池向高功率密度、高能量密度和长循环寿命的方向发展。

论文信息:

In Situ TEM Studies on Electrochemical Mechanisms of Rechargeable Ion Battery Cathodes

Yanshuai Li, Tianpin Wu, Yifei Yuan*, Jun Lu*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202300001

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期刊简介



Wiley旗下的Small Structures创立于2020年。作为Small的姊妹期刊,Small Structures旨在成为发表关于亚宏观尺度结构研究的多学科、跨领域、顶尖旗舰期刊。稿件领域包括但不限于化学、物理、材料、工程和生命科学,类型包括原创研究、综述、展望、评论等。 最新影响因子11.343。   


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