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揭开电池之谜:显微镜回答了长期以来关于富锂的过渡金属氧化物的问题

来源:新材料在线
储能材料 | 电池 | 纳米材料 | 金属材料

摘要 来自伯克利国家实验室的研究人员通过使用互补显微镜技术和光谱技术,解决了富锂和富锰过渡金属氧化物的结构问题。 研究人员将关于材料结构的理论分成三类,由 Alpesh Khushalchand Shukl 和 Colin Ophus 带领的团队经过四年的研究发

来自伯克利国家实验室的研究人员通过使用互补显微镜技术和光谱技术,解决了富锂和富锰过渡金属氧化物的结构问题。

研究人员将关于材料结构的理论分成三类,由Alpesh Khushalchand Shukl和Colin Ophus带领的团队经过四年的研究发现,其中最不流行的一种理论其实是最正确的一种。该研究发表在《自然通讯》杂志上。其他合作者包括Guoying Chen、Hugues Duncan、Quentin Ramasse 和Fredrik Hage。这种材料非常重要,因为和当前使用的锂离子电池相比,这种电池的充电能力提高了一倍。当然,其也存在一些问题,例如电压减退、直流电阻增加等。一个电量显著增加的电池不仅可以撼动手机市场和电脑市场,同时也有可能改变当前电动汽车的格局。当前的锂离子电池几乎已经走到了其理论极限的边缘,如果我们想要有效增加其畜电能力,我们只能改变其化学材料。

通过使用伯克利分子铸造实验室国家电子显微镜中心(NCEM)的显微镜和英国达斯伯里的超级STEM,研究人员获得了这种材料的原子级别的图像。由于之前的研究关于结构部分都含混不清,因此该研究则集中于从不同方向观察材料,以期能获得更多结构细节。科学家根据材料结构分成了三个阵营:单三角相、两相或缺陷单斜相。材料的相对应着原子排列的不同方式,Ophus解释了研究人员获得不同结论的方法:两相和单项非常接近,这和比较苹果和橘子不同,更像是从远处分辨橘子和柚子,很难发现两者之间的区别。

除了从原子层面观察材料以外,研究人员也从整体上观察粒子,而不仅仅是局部。通过将这些证据放到一起,Shukla 和 Ophus相当确信这种材料实际上是缺陷单斜相。“我们的研究结果非常偏向于缺陷单斜相。”Ophus说。Ramasse说,“我们需要知道原子层级上发生的变化,从而能够理解材料的宏观行为,因此这些先进的电子显微镜对于发现这些特点至关重要。”

除了解决了材料内部的结构问题,该研究小组也解决了材料的表面结构问题,即一些具有特定晶面的原子层。由于锂离子的嵌入开始于表面,因此理解材料的表面结构至关重要。

除了使用STEM以外,该小组还采用了其他的技术来进行观察,例如电子能量损失谱(EELS)和X射线能量色散谱(XEDS)。“我们首次介绍了其表面结构的形态、厚度、晶面取向和材料内部的关系,并且确定其晶面。”Ophus说。该研究的一个重要部分就是样品的数量和质量。该实验的样品是由博士后研究人员Duncan准备的。“原本我们可以提前一年完成这篇研究,但是由于我们想尽最大可能避免不必要的争议,因此研究周期延后了。”Shukla说。最后,这项研究差不多耗时4年,Ophus称之为显微镜的杰作。

新材料在线编译整理——翻译:杨超    校正:摩天