Small Methods: 锂离子电池多尺度结构的原位表征技术

随着人类社会的发展,全球环境与能源问题日益严峻,开发清洁、安全、高效的新型储能技术成为了研究者们关注的焦点。在所有的储能方式中,锂离子电池具有能量密度高、自放电低、循环寿命长、环境友好等优点,已广泛应用于手机、平板电脑等便携式电子设备,取得了巨大的商业成功。然而近年来,随着新能源汽车工业的迅速发展,目前商业化的锂离子电池已无法满足市场的硬性需求。纯电动汽车与传统燃油汽车相比,在性能、安全、续航等问题上仍然存在较大差距。因此,开发比容量高、循环寿命长、结构稳定的高性能锂离子电池迫在眉睫。

锂离子电池的电化学性能取决于内部微观与宏观结构变化的动态耦合。正负极材料在锂离子嵌入和脱出过程中的结构稳定性问题,一直是制约锂离子电池进一步升级的关键。因此,实现电极材料在充放电过程中的结构表征,对于高性能锂离子电池的开发和设计至关重要。然而,对电池材料在工作状态下的结构表征一直困难重重。一方面,电化学反应是一个非平衡态过程,其中存在各种复杂的物理和化学变化,这大大增加了材料结构表征与分析的难度;而另一方面,这些结构变化发生在不同的长度尺度内,很多微观与宏观的结构变化相互耦合,如晶格畸变和极片裂纹,相结构转变和副反应等,它们共同决定了电池的最终性能。在过去的几十年中,各种时间分辨的原位表征技术被开发和应用于电池研究领域。其中,高能同步辐射X射线与高通量脉冲中子,因其互补的散射、光谱与成像能力,近年来逐渐发展为表征多尺度结构变化的有力工具,并推动了锂离子电池研究与产业的快速发展。

图1:利用同步辐射和中子技术原位表征锂离子电池多级结构

近日,来自香港城市大学物理系刘奇团队在Wiley旗下期刊Small Methods发表题为“In Situ Probing Multiple-Scale Structures of Energy Materials for Li-Ion Batteries”的综述文章(DOI: 10.1002/smtd.201900223),从X射线/中子与材料的相互作用机理出发,系统地介绍了各种同步辐射和中子原位表征方法、原位设备和电池设计、以及它们在锂离子电池研究领域的应用(图1)。中子是一种中性的亚原子粒子,它与原子核直接作用;相比之下,X射线则是一种电磁波,它通过产生电磁场与原子的核外电子产生相互作用。尽管作用机理不同,当X射线和中子穿过物质时,均会发生弹性散射以及非弹性散。除此之外,具有特定能量的光子还会激发各种电子态,通过吸收和发射光子来实现占据态和非占据态的跃迁。利用这些相互作用与材料本征特性的耦合,使得人们逐渐打开了材料微观结构世界的大门。例如,X射线和中子的弹性散射可以产生小角散射(SAS)、衍射(XRD或neutron diffraction)及全散射(PDF)图谱,它们分别可用于解析不同尺度范围的结构变化;另一方面,硬X射线和软X射线的吸收(XAS)、发射光谱(XES),以及它们相对应的成像技术(TXM等),则可以用来表征特定元素周围的电子和成键状态。在详细介绍以上的表征机理后,作者又对原位电池和原位装置的设计以及相应的研究实例作了系统的阐述。最后,作者给出了同步辐射和中子原位表征技术在电池领域应用的技术展望。

该综述的第一作者为香港城市大学物理系博士后研究员朱贺博士。