對于鋰離子電池，鋰離子在電極材料中遷移的動力學過程決定了電池的宏觀性能。比如，離子遷移的快慢決定了充電放電的速率，離子遷移的數量對應了電池的容量，離子遷移引起的結構惡化是電池壽命變短的根本原因。因此研究鋰離子在電極材料中的遷移過程是我們了解電池工作原理、失效原理等的關鍵。透射電子顯微鏡是研究材料結構的利器，結合原位局域場探測的手段，則能在原子尺度下實時監(jiān)控外場下的結構演化。這種表征手段很適合于研究鋰電池中電化學勢驅動的離子遷移。北大電鏡室俞大鵬院士團隊的高鵬研究員在過去幾年在一直從事原位電鏡局域場探測固態(tài)離子遷移的研究。他們與合作者曾成功地觀察到離子導體中氧空位的遷移(JACS 132, 4197，2010)，阻變存取器件中的Ag、Ni、Cu、Pt等金屬離子的遷移行為(Nat.Commun. 3, 732 ，2012);Nat.Commun. 5, 4232，2014))等。

　　最近，高鵬研究員課題組研究了Li和Na離子在二維材料中的遷移行為，取得了系列進展， 包括Li離子在SnS2中的遷移(Nano Lett 16， 5582，2016，作者：Peng Gao*, Liping Wang, Yu-Yang Zhang*, Yuan Huang, Lei Liao, Peter Sutter, Kaihui Liu, Dapeng Yu, En-Ge Wang)，Na離子在SnS2中的遷移(Nano Energy 32, 302，2017)，Na離子在MoS2中的遷移(ACS Nano 9， 11296，2015)。這些具有van der Waals相互作用的二維材料，不僅僅展現出了優(yōu)異電學、力學、光學性能，也是重要的能源存儲材料。作為電池電極材料，van der Waals相互作用系統(tǒng)的最主要特征就是層間相互作用很弱，堿金屬離子能夠比較容易地在其中發(fā)生遷移。他們的研究發(fā)現，在二維材料中離子插入和拔出的反應路徑是不對稱的，這種不對稱的反應路徑對應著充放電過程中不對稱電壓平臺。該研究揭示了這些層狀鋰電池電極材料中低能量效率的一個根源。高鵬研究員為這些論文第一作者和通訊作者。

　　另外，他們與東南大學合作研究了Na離子在尖晶石NiCo2O4納米結構的遷移行為(Adv. Fun. Mater., DOI: 10.1002/adfm.201606163，2017)，也發(fā)現了類似的非對稱反應路徑。高鵬研究員為論文共同通訊作者。

　　原子尺度上實時跟蹤鋰電池電極材料SnS2中的離子遷移過程電子束誘導的spinel -rocksalt的核殼結構。Rocksalt 核的直徑約3 nm，相界寬度約1~2nm。

　　此外，他們和日本東京大學的合作者用電子束激發(fā)的方法，發(fā)現LiMn2O4中的Li和Mn離子都會發(fā)生遷移，發(fā)生從尖晶石到巖鹽的結構相變(Chem. Mater. 29，1006，2017)。一般認為，這種結構相變會導致LiMn2O4電池的容量損失和電壓降低。他們利用球差矯正透射電子顯微鏡，跟蹤了Li和Mn 在氧四面體和氧八面體之間的遷移過程，揭示了離子遷移過程中的中間相、遷移路徑、相界的原子結構、以及陽離子遷移伴隨著的氧原子位置的自我調整，據此提出了一些可能的提高電極材料穩(wěn)定性和電池壽命的方法。高鵬研究員為論文第一作者和共同通訊作者。

　　由俞大鵬院士領導的北京大學“電子光學與電子顯微鏡實驗室”-校級大型公共儀器平臺在2015年底増置了兩臺國際上迄今最先進的球差矯正透射電鏡: Nion公司的配置單色儀的U-HERMES200(能量分辨率8 meV)和FEI公司的雙球差矯正的Titan Cubed Themis G2 300 (空間分辨率60 pm)。與此同時，俞大鵬院士也積極在國際上積極招募青年才俊，重點發(fā)展電子顯微學新技術在材料科學方面的應用，進一步提高大型高端儀器的管理水平、提升電鏡平臺服務效率和質量。目前，FEI雙球差矯正電鏡正在調試當中。

　　該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、量子物質科學協(xié)同創(chuàng)新中心、千人計劃和電子顯微鏡實驗室等的大力支持。

　　論文鏈接: