锂离子电池广泛用于家用电子设备中，现在用于为电动车辆提供动力并为电网存储能量。但是他们有限的充电周期数和在其生命周期内容量下降的趋势促使人们对改进技术进行了大量研究。

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由能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员领导的国际团队使用电子显微镜的先进技术来展示构成锂离子电池电极的材料比例如何影响其在原子水平上的结构，以及表面与其他材料的差异。这项工作发表在能源与环境科学杂志上。

了解电池材料的内部和表面结构如何在各种化学成分上发生变化将有助于未来对阴极转化的研究，并且还可能导致新电池材料的开发。

“这一发现可能会改变我们观察阴极内相变的方式以及由此导致的这类材料的容量损失，”伯克利实验室分子铸造厂的科学家，该研究的第一作者Alpesh Khushalchand Shukla说。“我们的工作表明，在原始状态下以及骑车后完全表征新材料非常重要，以避免误解。”

Molecular Foundry(一家专门研究纳米科学的研究中心)的研究人员之前的工作揭示了含有“过量”锂的阴极材料的结构，解决了长期存在的争论。

在国家电子显微镜中心(NCEM)，分子铸造工厂和英国Daresbury的国家先进电子显微镜研究设施SuperSTEM中使用一套电子显微镜，研究小组发现，尽管原子遍及整个在所有组合物中，阴极材料的内部保持相同的结构图案，减少锂的量导致结构内某些原子的位置随机性的增加。

通过比较阴极材料的不同成分与电池性能，研究人员还证明，通过使用较低的锂与其他金属的比例，可以优化电池性能与容量的关系。

最令人惊讶的发现是未使用的阴极的表面结构与阴极的内部非常不同。在他们的所有实验中发现了表面上具有不同结构的薄层材料，称为“尖晶石”相。之前的一些研究忽略了这一层可能存在于新的和使用过的阴极上。

通过系统地改变锂与过渡金属的比例，就像在新的饼干配方中尝试不同量的成分一样，研究团队能够研究表面和内部结构之间的关系并测量材料的电化学性能。该团队从多个角度拍摄每批阴极材料的图像，并为每个结构创建完整的3-D渲染图。

“在与电池技术相关的长度范围内获得这种精确的原子级信息是一项挑战，”SuperSTEM实验室主任Quentin Ramasse说。“这是为什么电子显微镜中可用的多种成像和光谱技术使其成为可再生能源研究中不可或缺的多功能工具的一个完美例子。”

研究人员还使用了一种新开发的技术，称为4-D扫描透射电子显微镜(4-D STEM)。在透射电子显微镜(TEM)中，在电子通过薄样品之后形成图像。在传统的扫描透射电极显微镜(STEM)中，电子束被聚焦到一个非常小的点(直径小至0.5纳米，或十亿分之一米)，然后在样品上来回扫描该点。在草坪上的割草机。

传统STEM中的检测器简单地计算每个像素中散射(或不散射)的电子数量。然而，在4D-STEM中，研究人员使用高速电子探测器记录每个电子从每个扫描点散射的位置。它允许研究人员在大视场范围内以高分辨率测量样品的局部结构。

“高速电子相机的引入使我们能够从非常大的样本维度中提取原子级信息，”NCEM的研究科学家科林·奥弗斯说。“4D-STEM实验意味着我们不再需要在我们可以解析的最小特征和我们观察到的视野之间进行权衡 - 我们可以同时分析整个粒子的原子结构。