近日，北京同步輻射裝置成像實(shí)驗(yàn)站和美國(guó)斯坦福同步輻射光源劉宜晉研究員課題組、布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室胡恩源研究員課題組合作，利用同步輻射近邊譜學(xué)成像等技術(shù)，對(duì)鋰電池層狀富鋰正極材料充放電過(guò)程中過(guò)渡金屬價(jià)態(tài)分布的深度關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究，相關(guān)工作發(fā)表在（Nature Communications 2020, 11:6342）上。博士生張錦（中科院高能所）和王欽超博士（美方）為論文共同第一作者，袁清習(xí)（高能所）、劉宜晉和胡恩源為論文共同通訊作者。
作為一種高效的儲(chǔ)能器件，鋰離子電池基于鋰離子在正負(fù)極之間的往返脫/嵌實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)和釋放，其能量密度及循環(huán)壽命等性能受到跨越多個(gè)尺度的結(jié)構(gòu)和化學(xué)復(fù)雜性的聯(lián)合效應(yīng)影響。因此，不同尺度的研究和表征對(duì)鋰離子電池的研發(fā)和改進(jìn)至關(guān)重要。 隨著同步輻射光源的發(fā)展以及X射線光學(xué)元件加工工藝的提高，同步輻射X射線成像實(shí)現(xiàn)了從微米到納米的多尺度三維成像。而結(jié)合吸收譜學(xué)和X射線成像的近邊譜學(xué)成像技術(shù)可以獲得材料的形貌、元素及價(jià)態(tài)的三維分布信息，為研究電池材料多尺度三維形貌和性能關(guān)聯(lián)提供了有力的手段。
層狀富鋰正極材料是一種具有高能量密度的鋰離子電池正極材料。然而，該材料應(yīng)用中面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是其在循環(huán)過(guò)程中存在電壓衰減現(xiàn)象。作者利用同步輻射納米分辨譜學(xué)成像等技術(shù)研究了
層狀富鋰NMC正極（Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2）材料顆粒的形貌、組成及化學(xué)信息，揭示了該材料顆粒中氧離子參與氧化還原反應(yīng)的深度關(guān)聯(lián)性。圖1顯示了富鋰NMC正極材料不同充電態(tài)的過(guò)渡金屬近邊譜學(xué)成像的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)明顯的價(jià)態(tài)分布不均以及深度關(guān)聯(lián)性。圖2是不同充電態(tài)和不同充電循環(huán)次數(shù)的電池顆粒中過(guò)渡金屬元素K邊能量變化隨顆粒深度的變化曲線，同時(shí)RIXS和sPFY結(jié)果直觀地看到了氧離子特征峰的出現(xiàn)。
上述工作首次呈現(xiàn)了Li1.2Ni0.13Mn0.54Co0.13O2材料顆粒尺度的特殊層狀三維形貌，揭示了其過(guò)渡金屬價(jià)態(tài)分布與空間深度的相關(guān)性。這些發(fā)現(xiàn)有望幫助研究人員進(jìn)一步解決富鋰正極材料的電壓衰減問(wèn)題。
圖1 富鋰NMC正極顆粒的譜學(xué)成像結(jié)果
圖2 富鋰NMC正極材料氧化還原反應(yīng)與顆粒深度的依賴性
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