电极材料储锂行为及其机制的原位透射电镜研究进展

锂离子在体相电极材料中的输运、反应、储存所引发的电子和晶体结构、微观形貌、化学组成、物理性质的动态演变与锂离子电池的电化学性能息息相关。从纳米甚至原子尺度上阐明电极在电化学过程中的微观结构、形貌、物相和化学成分的动态演化行为,对理解电极材料基本物理化学特性及其动态演化与电池宏观电化学性能间的构效关系至关重要;这需要借助清晰、精确的先进原位表征手段。在现有各类原位表征技术中,原位透射电镜(TEM)由于其超高的空间和时间分辨率,具有实时、动态监测电极材料在工况下结构、形貌、物相以及表/界面处原子级结构和成分变化的独特优势,是开展上述研究最具代表性的一种重要表征手段;可对电极材料微观动态演变行为和反应机理等进行精确表述,进而为高性能电极材料的构筑与性能调控提供微观依据和创新思路。本文总结归纳了当前采用原位TEM表征技术解析锂离子电池关键电极材料在充放电过程中的微观动态演变规律与失效机制的重要研究进展,包括多种正极材料和高比容量负极材料的原位TEM研究,重点是它们在电化学过程中微观结构、化学成分与物相动态演变等信息。此外,本文对原位TEM表征技术当前存在的问题,以及借助原位TEM技术研究二次电池的未来发展方向进行了展望和思考。

原位表征技术在全固态锂电池中的应用

近年来,可移动消费电子与电动汽车等产业发展迅速,迫切需要发展高能量密度与高安全稳定性的锂电池,以提高这些设备的长续航与长期稳定运行的能力.这使得全固态锂电池极具潜力,并获得迅速发展.然而,高性能全固态锂电池的发展需要对其充放电机制与性能衰减机理等有深入的认识,对电池内部及界面的微观结构、物相组成、化学成分及局域化学环境等动态演变规律有系统深入的理解.基于此,本文总结归纳了典型原位表征技术,包括原位显微技术(原位扫描电子显微镜(SEM),原位透射电子显微镜(TEM))、原位X射线技术(原位X射线衍射(XRD)、原位X射线光电子能谱(XPS)、原位近边结构X射线吸收光谱(XANES)、原位X射线层析成像等)、原位中子技术(原位中子衍射(ND)、原位中子深度剖析(NDP))以及原位波谱技术(原位拉曼光谱、原位核磁共振(NMR)与原位核磁共振成像(MRI))等的基本原理、功能、及其应用于研究固态锂电池中电极材料与界面在服役状态下、真实电化学过程中的动态过程与失效机制的代表性研究进展,并对未来先进原位表征技术在全固态锂电池研究中的应用进行了探讨和展望.