导读 通过透射电子显微镜(TEM)对锂离子进行成像是研究锂离子电池(LIB)材料的圣杯。在TEM中跟踪锂化过程可以更深入地了解电池循环过程中的电极降
通过透射电子显微镜(TEM)对锂离子进行成像是研究锂离子电池(LIB)材料的“圣杯”。在TEM中跟踪锂化过程可以更深入地了解电池循环过程中的电极降解机制，从而加速材料改性以获得更好的性能。
由于最近在分析TEM技术方面取得的进展，例如环形明场(ABF)方法、积分微分相衬和Ptychography，现在可以识别晶体内的锂离子位点。电子能量损失谱也可以通过识别其能量损失边缘来检测锂元素。
然而，这些方法对于电子束敏感样品具有挑战性，例如固体电解质中间相(SEI)和锂枝晶，这些样品对于实现LIB的长期循环至关重要。Cryo-TEM具有将样品冷冻至液氮温度的能力，在此条件下高能电子不会轻易破坏SEI。此外，通过结合冷冻透射电镜和断层扫描方法，可以重建锂枝晶的三维形态，提供更多隐藏在二维图像中的结构信息。
“由于电池循环过程中电极材料的复杂动力学，实时观察锂离子扩散过程非常重要。过去十年通过原位TEM实验见证了许多令人兴奋的结果，包括相变，离子扩散，缺陷演变和价态变化。由于传统的干电池装置用于研究电极材料本身的变化，研究人员现在可以使用液体电池技术研究电极与液体电解质之间的反应。结合新兴方法，我们可以深入了解反应过程并实施电极材料改性的机制，”董苏教授(中国科学院物理研究所)说。
尽管取得了优异的成绩，但这些新兴方法的局限性仍然阻碍了LIB材料的研究。例如，ABF和Ptychography图像的解释通常需要复杂的理论模拟。此外，连续观察电极材料可能会在原位实验过程中损坏样品。因此，应该投入更多的精力来改进这些方法。技术组合是克服困难的一种方法。例如，在原位TEM期间执行低剂量方法可以最大限度地减少光束效应。机器学习也是简化数据分析过程和发现隐藏的属性-结构相关性的途径。