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今日Nat. Nanotechnology.线扫描共聚焦反射显微镜实现锂电正极三维工况成像

时间：2023-08-20 来源：浏览：

今日Nat. Nanotechnology.线扫描共聚焦反射显微镜实现锂电正极三维工况成像

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收录于合集

第一作者：Raj Pandya

通讯作者：Raj Pandya, Sylvain Gigan, Hilton B. de Aguiar & Alexis Grimaud

通讯单位：法国索邦大学，法国法兰西公学院

【研究亮点】

了解电池材料中的（脱）锂异质性是确保最佳电化学性能的关键。然而，由于电极颗粒的三维形态、固相和液相反应物的参与以及一系列反应时间尺度（秒到小时），这仍然具有挑战性。本文演示了使用共聚焦显微镜对单个团聚颗粒中的锂离子动力学以及电池中的电解质进行同步三维操作测量。主要研究了两种重要的正极材料：Li _x CoO ₂ 和Li _x Ni _0.8 Mn _0.1 Co _0.1 O ₂ 。锂相前沿的表面到核心的传输速度和体积变化被发现与循环倍率相关，并且可视化循了环过程中本体和团聚体表面的不均匀性，从而实现了在电池电极的复杂环境中进行光学成像。

【主要内容】

提高锂离子电池性能的关键因素是开发高能量密度正极材料，例如富镍锂镍锰钴（NMC）氧化物。对于此类材料中离子（脱）插层的性质仍然存在长期争论。探测电池电极中锂离子（脱）嵌的困难之一是组成颗粒的复杂三维形态，颗粒微观表面、本体和电解质环境共同影响在秒到小时范围内锂离子（脱）嵌速率。反射光显微镜是一种普遍使用的工具，用于对不断演化的系统进行低成本、非侵入性的微尺度表征。通常，显微反射在可见光波长(400–800nm)下进行，要么在宽视场（整个样品被照亮）中进行，要么使用线扫描共聚焦反射显微镜（LSCRM），在其中快速扫描聚焦激光束穿过给定的样本平面，反射光用于构建图像。尽管如此，仍然存在很少的框架来从物理上理解宽视场实验的反射率信号，并且出现了相互矛盾的结果。最重要的是，与其他操作方法一样，光学反射方法无法直接可视化液态电解质及其与颗粒或团聚物的相互作用，这使得完全解决（脱）插层异质性的起源具有挑战性。

鉴于此，法国法兰西公学院Alexis Grimaud教授联合法国索邦大学Sylvain Gigan教授，Hilton B. de Aguiar教授以及Raj Pandya研究员等人提出使用高分辨率LSCRM对运行电池中的颗粒结构转变、锂离子嵌入和电解质动力学进行3D微观跟踪。作者应用LSCRM来研究富镍Li _x Ni _0.8 Mn _0.1 Co _0.1 O ₂ (NMC811)和Li _x CoO ₂ (LCO)中的锂嵌入情况，已知这两种材料在循环过程中锂占据量存在异质性。研究人员发现在LCO和NMC811团聚物中，表面限制反应和团聚物的多颗粒性质之间的竞争控制着（脱）锂化和结构异质性，而电极负载（团聚物间效应）和团聚物尺寸不太重要。在循环过程中，即使在高团聚体负载下，电极基质中电解质浓度不均匀性的形成以及团聚体周围不同的电解质极化梯度表明，在设计商业电极时仍然需要考虑微观极化效应。本文进一步推动LSCRM技术来区分团聚体中发生的插层异质性与仅限于表面的插层异质性，并可视化周围电解质中浓度梯度的形成，证明可以通过其内在荧光同时跟踪浓度梯度。本文结果强调LSCRM是在三维和工况状态下对电池的固相和液相进行显微成像的仅有方法之一。

Fig. 1 | Tracking charge state with optical reflection microscopy.

Fig. 2 | Three-dimensional imaging in polycrystalline battery electrodes.

Fig. 3 | Tracking agglomerate particle volume changes during cycling.

Fig. 4 | Measurement of phase-front velocities through agglomerate particles.

Fig. 5 | Unwrapping of particle surfaces.

Fig. 6 | 2PEF from battery electrolytes.

【文献信息】

Pandya, R., Valzania, L., Dorchies, F. et al. Three-dimensional operando optical imaging of particle and electrolyte heterogeneities inside Li-ion batteries. Nat. Nanotechnol. (2023).

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01466-4

中科院物理所吴凡团队：硫化物固态电解质与锂金属的热稳定性

2023-08-17