先进电子显微技术在研究商用锂离子电池中的电荷转移和锂离子迁移机制方面的应用

2022.11.02 点击505次

【导读】天津理工大学在Nano Research Energy发表题为“Elucidating the charge-transfer and Li-ion-migration mechanisms in commercial lithium-ion batteries with advanced electron microscopy”的综述论文。论文将商用锂离子电池所关注的构-效关系问题归纳梳理为电荷转移和锂离子迁移机制两大类，并对先进电子显微镜技术在这两个关键过程方面的研究进展进行了综述。

标签: 锂离子电池电子显微镜

2022年9月5日，天津理工大学在Nano Research Energy发表题为“Elucidating the charge-transfer and Li^-ion-migration mechanisms in commercial lithium-ion batteries with advanced electron microscopy”的综述论文。

图1: (a)传统表征方法(GITT、 EIS 、CV曲线、XRD图谱、XPS、拉曼和NMR光谱)的原理及其所获得的电池中的信息。 (b)先进电子显微镜(原子像，EDS、EELS 、差分相位衬度、电子全息)的原理及其所获得的锂离子电池中的信息。

商用锂离子电池在不同的应用领域面临着不同的挑战。在便携类电子产品中，电池的能量密度是核心技术指标；对电动汽车而言，电池的成本、循环寿命和安全性、与能量密度(决定每次充电的续航里程)均为关键参数；而在储能应用中，电池的成本、循环寿命和安全性为设计上的三大核心影响因素。锂离子电池电化学体系中，电极材料是电池的核心组成部分，对商业电池的性能有显著影响。为满足新一代商用锂离子电池对长循环寿命、高能量密度、高安全性等性能需求，除需要研究材料固有的物理和化学性质外，最关键的科学问题是要明晰锂离子嵌入、脱出过程中的结构演化/动力学，及其对电极-电解质界面的影响规律，这些问题的解决对商用锂离子电池的材料优化及全电池设计起到重要的支撑及引导作用。

论文将商用锂离子电池所关注的构-效关系问题归纳梳理为电荷转移和锂离子迁移机制两大类，并对先进电子显微镜技术在这两个关键过程方面的研究进展进行了综述(图1)。通过与传统表征技术(如XRD、XPS等)获得的表征结果进行对比，阐明了常用电子显微镜(如原子像、电子衍射、能谱、电子能量损失谱等)及最近发展起来的先进电子显微表征技术(如电子全息、差分相位衬度及原位电镜技术)在研究商用锂离子电池中的电荷转移和离子迁移机制方面的优势和局限性，指出了电镜技术与其他技术联用获得更全面信息的必要性。论文总结了近年来商用锂离子电池所关注几个重要问题：(1)正极充放电过程中过渡金属溶出和电荷转移机制；(2)长期循环过程中CEI和SEI的结构及演变；(3)电极结构和界面对锂离子迁移的影响。本论文可帮助研究人员更深入地了解商用锂离子电池微观尺度上的相关机理，并为新一代高性能电池的实用化提供了设计策略，具有一定的指导意义。