Die Li-Ionen-Bildgebung durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist der „heilige Gral“ bei der Untersuchung von Materialien für Li-Ionen-Batterien (LIB). Die Verfolgung des Lithiierungsprozesses in TEM könnte ein tieferes Verständnis des Elektrodendegradationsmechanismus während des Batteriezyklus liefern, was die Materialmodifikation für eine bessere Leistung beschleunigt.
Dank jüngster Fortschritte bei analytischen TEM-Techniken wie der Annular Bright Field (ABF)-Methode, dem integrierten differentiellen Phasenkontrast und der Ptychographie ist es jetzt möglich, Li-Ionenstellen innerhalb eines Kristalls zu identifizieren. Das Elektronenenergieverlustspektrum könnte auch verwendet werden, um das Li-Element zu detektieren, indem seine Energieverlustkante erkannt wird.
Diese Methoden sind jedoch eine Herausforderung für strahlempfindliche Proben wie Festelektrolyt-Interphase (SEI) und Lithiumdendriten, die für das Erreichen eines langfristigen Zyklus von LIBs unerlässlich sind. Cryo-TEM hat die Fähigkeit, die Probe auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff einzufrieren, unter welcher Bedingung die hochenergetischen Elektronen SEI nicht leicht beschädigen werden. Darüber hinaus kann durch die Kombination von Kryo-TEM und Tomographieverfahren die dreidimensionale Morphologie von Li-Dendriten rekonstruiert werden, wodurch mehr strukturelle Informationen bereitgestellt werden, die durch zweidimensionale Bilder verborgen sind.
„Aufgrund der komplexen Kinetik von Elektrodenmaterialien während des Batteriezyklus ist es von großer Bedeutung, den Diffusionsprozess von Li-Ionen in Echtzeit zu beobachten. Defektevolution und Wertigkeitsänderung Da ein herkömmlicher Trockenzellenaufbau verwendet wird, um die Variation des Elektrodenmaterials selbst zu untersuchen, können Forscher jetzt die Reaktion zwischen Elektrode und flüssigem Elektrolyten mit der Flüssigzellentechnik untersuchen. Kombiniert mit neuen Methoden können wir tiefgreifend den Reaktionsprozess verstehen und den Mechanismus zur Modifikation von Elektrodenmaterialien implementieren“, sagt Prof. Dong Su (Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften).
Trotz der hervorragenden Leistungen, die erzielt wurden, behindern die Einschränkungen dieser neuen Methoden immer noch die Untersuchung von LIB-Materialien. Beispielsweise erfordert die Erklärung von ABF- und Ptychographie-Bildern normalerweise eine komplexe theoretische Simulation. Außerdem könnte die kontinuierliche Beobachtung von Elektrodenmaterialien die Probe während des In-situ-Experiments beschädigen. Daher sollten weitere Anstrengungen unternommen werden, um diese Methoden zu verbessern. Die Technikkombination ist eine Möglichkeit, die Schwierigkeiten zu überwinden. Beispielsweise könnte die Durchführung einer Low-Dose-Methode während eines In-situ-TEM den Strahleffekt minimieren. Maschinelles Lernen ist auch ein Weg, um das Datenanalyseverfahren zu vereinfachen und die verborgene Eigenschaft-Struktur-Korrelation zu entdecken.
Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft China Chemie.
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Xincheng Lei et al., Verfolgung der Lithiierung mit Transmissionselektronenmikroskopie, Wissenschaft China Chemie (2023). DOI: 10.1007/s11426-022-1486-1