Operando成像技术解析电池中锂离子动力学

就目前而言，推进锂离子电池技术（特别是快速充电技术）的关键是能够实时跟踪和理解在现实条件下以及纳米尺度到中等尺度范围内发生在功能材料中的动态过程。目前，电池运行期间锂离子动力学主流的成像技术(运行过程中的成像)需要复杂的同步加速器x光或电子显微镜技术，这些技术根本就不适用于高通量材料筛选。因此，这限制了材料的快速合理的改进。英

国剑桥大学Akshay Rao，Clare P. Grey和Christoph Schnedermann研究团队研制了电池中单粒子离子动力学的Operando光学跟踪。论文“Operando optical tracking of single-particle ion dynamics in batteries”于2021年6月23日发表在《自然》杂志上。 在这里，研究人员介绍了一种基于实验室的光学干涉散射显微镜来解决电池材料中的纳米锂离子动力学问题，并将其应用于跟踪电极基质中典型正极材料LixCoO2的单个粒子的循环。

02 摘要

英国剑桥大学研究团队研制了电池中单粒子离子动力学的Operando光学跟踪，直接可视化绝缘体到金属、固溶体和锂有序相变，并确定锂在单粒子水平的扩散率，识别不同的充放电机制。最后，研究小组捕获了Li0.5CoO2组分中与单斜晶格畸变相关的不同晶体取向间畴界的动态形成。 该方法的高通量特性允许在整个电极上取样许多粒子，未来将有助于探索位错、形态和循环速率对电池退化的作用。他们成像概念的通用性意味着它可以应用于任何电池电极的研究，更广泛的是，可以应用于离子传输与电子或结构变化相关的系统。这些系统包括纳米离子薄膜、离子导电聚合物、光催化材料和记忆电阻器。

据悉，推进锂离子电池技术的关键——尤其是快速充电——是能够实时地、在纳米到中观尺度上跟踪和理解功能材料在现实条件下发生的动态过程。目前，电池运行期间的锂离子动态成像(Operando成像)需要复杂的同步x射线或电子显微镜技术，这些技术并不适合高通量材料筛选。这限制了快速和理性的材料改进。论文介绍一种基于实验室的简单光学干涉散射显微镜技术---Operando成像技术，该技术可以用于解析电池材料中的纳米级锂离子动力学，并将其应用于跟踪电极矩阵中原型阴极材料、LixCoO2的单个粒子的循环过程。本文利用该项技术直接观察了绝缘体到金属、固溶体和锂有序相变过程，并在单粒子水平上确定锂的扩散速率，同时确定了不同的充电和放电机制。最后，本文捕获了与Li0.5CoO2组分的单斜晶格畸变相关的不同晶体取向之间的磁场的动态形成过程。

本文提出的方法的高通量特性允许在整个电极上对许多粒子进行采样分析，并且在未来将能够探索位错、形态和循环速率对电池退化的作用。本文的成像技术具有普遍性，而这意味着它可以应用于研究任何电池电极的研究，更广泛地说，可以应用于研究离子传输与电子或结构变化相关的所有系统。这些系统包括纳米离子膜、离子导电聚合物、光催化材料和忆阻器等等。