原子精度测绘电池材料

原子精度测绘电池材料

锂离子电池广泛应用于家用电子产品,目前已被用来驱动电动汽车,并为电网储存能源。但是,它们的充电周期有限,而且在寿命期内容量下降的趋势促使人们对改进技术进行了大量的研究。

领导的一个国际研究小组从能量的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)美国研究人员在电子显微镜下,用先进的技术来展示材料,占锂离子电池电极的影响其结构在原子水平上的比例,和表面是如何从其余的材料非常不同。这项研究发表在《能源与环境科学》杂志上。

了解电池材料的内部和表面结构如何在广泛的化学成分变化,将有助于未来的阴极转化研究,也可能导致新的电池材料的发展。

“这一发现可以改变我们看相变在阴极及其造成的损失,在这类材料的能力,”Alpesh Khushalchand Shukla说,在伯克利实验室分子铸造厂的一名科学家,该研究的第一作者。“我们的工作表明,它是刻画一个新的材料,其原始状态极为重要,以及循环后,为了避免误解。”

以前的研究工作是分子铸造公司,一个专门研究纳米科学的研究中心,它揭示了含有过量锂的正极材料的结构,解决了长期以来的争论。

利用一套电子显微镜在国家电子显微镜中心(NCEM),一个分子的铸造设备,以及先进的电子显微镜SuperSTEM,在Daresbury、英国的国家研究机构,研究团队发现,在相同的结构模式在所有成分的原子在阴极材料内部残留,降低锂量造成一定的原子位置的随机性增加的内部结构。

通过比较不同的阴极材料组成与电池性能,研究人员还证明,通过使用较低的锂与其他金属的比例,可以优化电池性能与容量的关系。

最令人惊讶的发现是,未使用的阴极的表面结构与阴极内部非常不同。在所有实验中都发现了一层具有不同结构的薄层物质,称为“尖晶石”相。以前的一些研究忽略了这一层可能存在于新的和使用过的阴极。

通过系统地改变锂与过渡金属的比例,例如在一种新的饼干配方中尝试不同量的成分,研究小组能够研究表面和内部结构之间的关系,并测量材料的电化学性能。研究小组从多个角度拍摄了每一批阴极材料的图像,并为每个结构绘制了完整的三维效果图。

 

“获得这样的精确信息,原子级尺度电池相关技术是一个挑战,”Quentin Ramasse说,“SuperSTEM实验室主任。这是一个很好的例子,说明为什么电子显微镜中的多重成像和光谱技术使之成为可再生能源研究中不可缺少的、通用的工具。

 

研究人员还使用了一种新开发的技术,叫做4-D扫描透射电子显微镜(四维干)。在透射电子显微镜(TEM)中,电子通过薄样品后形成图像。在传统的扫描透射电镜(STEM),电子束聚焦到一个非常小的点(小到0.5纳米或十亿分之一米,直径)然后点来回扫描样品上像在草坪割草机。

在传统的探测器干只计算有多少电子分散(或分散)在每个像素。 然而,在4d-stem,研究人员利用高速电子探测器来记录每个电子散射,从每一个扫描点。它允许研究人员在大视场下以高分辨率测量样品的局部结构。

“高速电子摄像机的介绍让我们从非常大的试样尺寸提取原子尺度的信息,”Colin Ophus说,在NCEM研究科学家。“4d-stem实验意味着我们不再需要做最小的特征之间的权衡可以解决和视野,我们观察–可以分析整个粒子的原子结构。”

伯克利实验室的分子铸造是美国能源部科学办公室用户设施。

这项工作是由能源效率和可再生能源办公室的美国部门的支持,基础科学办公室,和小企业凭证试点方案;该公司系统;和英国的工程和物理科学研究委员会。

关于劳伦斯伯克利国家实验室

劳伦斯伯克利国家实验室通过推进可持续能源、保护人类健康、创造新材料、揭示宇宙的起源和命运,来应对世界上最紧迫的科学挑战。伯克利实验室于1931成立,其科学专长已获13项诺贝尔奖。加利福尼亚大学为美国能源部的科学办公室管理伯克利实验室。欲了解更多信息,请点击这里。

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