鋰離子電池廣泛用于家用電子產(chǎn)品中，現(xiàn)在正投身于電動車輛動力提供和電網(wǎng)能量儲存。但鋰電池有限的充電次數(shù)和在其使用壽命期間容量降低的趨勢，已經(jīng)促成了對改進(jìn)技術(shù)的大量研究。

　　由美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)研究人員帶領(lǐng)的國際團(tuán)隊(duì)使用電子顯微鏡的先進(jìn)技術(shù)，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(jié)構(gòu)，以及表面與其余材料的差異。這項(xiàng)工作成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志上。

　　掌握電池材料內(nèi)部和表面結(jié)構(gòu)如何在廣泛的化學(xué)成分范圍內(nèi)變化，將有助于未來對陰極轉(zhuǎn)化的研究，并可能推動新電池材料的開發(fā)。

　　伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造研究所的科學(xué)家Alpesh Khushalchand Shukla表示：“這一新發(fā)現(xiàn)可能會改變研究陰極內(nèi)相變的方式，以及由此導(dǎo)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(tài)以及使用后狀態(tài)極其重要，以避免誤解?！?p>　　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(jié)構(gòu)，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(dá)斯伯里的國家高級電子顯微鏡研究機(jī)構(gòu)SuperSTEM分別使用一套電子顯微鏡后，研究小組驚奇發(fā)現(xiàn)，盡管整個原子級陰極材料的內(nèi)部在所有組分中保持相同的結(jié)構(gòu)圖案，減少鋰的量將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)某些原子位置的隨機(jī)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(yōu)化電池性能與容量的關(guān)系。最令人驚訝的發(fā)現(xiàn)是：未使用陰極的表面結(jié)構(gòu)與陰極內(nèi)部非常不同。在研究者進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)中都發(fā)現(xiàn)了表面具有不同結(jié)構(gòu)的薄層材料，并稱為“尖晶石”階段。之前的多項(xiàng)研究則忽略了該薄層材料可能出現(xiàn)在新陰極或已使用陰極這一事實(shí)。

　　通過系統(tǒng)地改變鋰與過渡金屬的比例，就像在一個新的餅干配方中嘗試不同數(shù)量的成分一樣，研究小組能夠研究表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系并測量材料的電化學(xué)性能。該團(tuán)隊(duì)從多個角度拍攝了每批陰極材料的圖像，并創(chuàng)建了每種結(jié)構(gòu)的完整的3D渲染圖。

　　SuperSTEM實(shí)驗(yàn)室主任Quentin Ramasse認(rèn)為：“在與電池技術(shù)相關(guān)的長度尺度上獲得這樣精確的原子級信息是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，這就是為何電子顯微鏡憑借多種成像和光譜技術(shù)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?！?p>　　研究人員還使用了一種新開發(fā)的技術(shù)，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后形成;在傳統(tǒng)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(diǎn)(直徑小至0.5納米或十億分之一米)，然后該點(diǎn)在樣品上來回掃描工作，如同草坪上的割草機(jī)。

　　傳統(tǒng)STEM中的檢測器僅計(jì)數(shù)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(diǎn)上每個電子散射的位置，它允許研究員在大視野內(nèi)以高分辨率測量樣品的局部結(jié)構(gòu)。

　　NCEM的研究科學(xué)家Colin Ophus補(bǔ)充道：“引進(jìn)高速電子相機(jī)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(shí)驗(yàn)意味著我們不再需要在可解析的最小特征與可觀察的視場之間進(jìn)行權(quán)衡-即可以一次分析整個粒子的原子結(jié)構(gòu)。”