电池材料结构与表征最新研究动态

admin 2021年05月08日 03:00 3622 10

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电池材料结构与表征最新研究动态与表征

报告嘉宾简介及报告摘要

报告人：罗俊

报告人简介：天津理工大学材料学院特聘教授，新能源材料与低碳技术研究院副院长，电镜中心主任。2011年入选第一批国家青年千人计划。长期从事纳米材料及器件与电子显微学方面的科研。已在、、、、、、、等国际著名学术期刊上以第一作者和/或通讯作者身份发表论文42篇。曾被、NatureCommunications、NanoLetters、ACSNano、NanoEnergy、Small、Nanoscale、JournalofMaterialsChemistry等学术期刊邀请为审稿人。在一年半内主持完成建设天津理工大学电镜中心，其总资产约6200万元人民币，拥有包括国际领先的球差校正电镜在内的六台电镜等，已与全球最大电镜公司美国FEI公司（现为美国ThermoFisher公司材料科学部）建立联合实验室，在两年内为超过400个课题组提供测试服务，协助他们完成多项课题以及将大量结果发表在Science、Nature子刊、AdvancedMaterials、JACS、AngewandteChemieInternationalEdition等国际一流期刊上。

报告题目：高端电镜在电池和先进材料中的多角度应用

报告摘要：球差校正电子显微术与多种谱学以及聚焦离子束的结合已成功使得原子结构解析、原子分辨谱学成像、电场表征技术、电荷表征技术、结构信息三维重构、原位电子显微术等手段能够被综合使用，从而能在原子分辨的水平和多角度上综合表征材料的表面与内部的原子结构和化学信息及其在服役期间的变化。罗俊与其领导的天津理工大学电镜中心最近将上述方法成功用于全固态锂离子电池材料、新能源纳米金属催化剂和半导体芯片材料的结构表征上，从而揭示电池材料中电荷和离子分布在工作时的演变、催化剂表面上的每种元素的单一晶格结构及其相互之间的外延生长结构、芯片材料中的结构搭建，为相关科研提供了重要的数据支持。

电池材料结构与表征最新研究动态与表征

报告人：谷猛

报告人简介：南方科技大学副教授、中组部青年千人计划(2017)、美国电镜协会颁发的AlbertCREWEaward奖项（2015）。主要从事能源材料科学研究，研究领域包括动力电池储能材料，高性能全固态电池的合成和机理分析，工业催化剂,高性能硅胶,薄膜材料等方面，利用生长多功能氧化物薄膜、三维立体电镜元素分析及原位透射电子显微镜技术，主攻能源材料的研发，取得了一系列创新性的研究成果。近年来,谷猛副教授课题组发表英文期刊论文73篇，总被引用次数4200，H-index达到36。文章多发表在NatureCommunications,NanoLetters,ACSNano,AdvancedMaterials,AdvancedFunctionalMaterials,AngewandteChemieInternationalEdition,PhysicalReviewLetters,NanoEnergy,JournalofPowerSources,Small,ScientificReports等知名杂志，取得多项国际同行高度认可的标志性科研成果。

报告题目：原位透射电镜在能源存储材料中的应用

报告摘要：最大程度的应用可再生能源会帮助人类减少对化石能源的消耗和环境污染。电池的出现支持了可再生能源-例如太阳能风能生物能源在日常生活中的应用。同时电池也是移动电脑终端，电动车的重要组成。当今的科研界的普遍认为电池的瓶颈在于电极材料和电解质材料本身的限制。我在演讲中将集中介绍原位透射电镜在传统电池和固态电池中发挥的作用。随着球差矫正电镜的发展使得科学家在原子尺度动态研究复杂化学材料的原子结构，化学成分，原子相互作用成为可能。Li1.2Ni0.2Mn0.6O2是一种很重要的正极材料，它可以承载比传统的LiCoO2更高的能量。我们应用三维EDS技术可以清楚的标定镍元素在材料中表面和界面的集聚，通过结合DFT计算，我们可以知道这个材料的失效机理，相转变过程。最后，通过对合成条件的反馈和修改，我们可以合成出没有镍元素集聚的正极材料，从而从根本上解决材料的电压衰减和电量衰减。同时，通过原位透射电镜，我们可以在电镜里面设计出纳米电池，原位观测电极材料在充放电中的变化以及电解液和电极相互作用产生的固态SEI层。原位透射电镜可以有开放式和封闭液体电池两种，我将举例说明这两种配置在电镜观测中的优劣势。原位透射电镜观测极大程度的解释了电池的工作机理或失效机理，从而可以反馈给电池的设计和合成过程，让我们能生产出高效高能高寿命的电池。

报告人：

贺艳兵

报告人简介：

清华大学深圳研究生院能源与环境学部副教授，博士生导师。迄今共发表SCI论文145篇，SCI他引4000余次，8篇入选ESI高被引论文，H因子37；近五年在Adv.Mater.、EnergyEnviron.Sci.、Adv.EnergyMater.、Adv.Funct.Mater.等SCI期刊发表论文110篇，被Nature、NatureNanotech.、NatureEnergy、Chem.Rev.、Adv.Mater.等SCI知名期刊正面引用和评价；获授权发明专利17项，实审发明专利21项，PCT专利2项；研究成果不仅获得了学术界的高度肯定，也得到产业界的广泛认可，部分成果已得到产业应用；获国家技术发明二等奖（排名第五，2017）、第十届侯德榜化工科学技术青年奖（2018）、广东省科学技术二等奖（排名第一，2015）和深圳市自然科学二等奖（排名第一，2016），入选2015年广东省特支计划科技创新青年拔尖人才。担任Adv.Mater.、Angew.Chem.Int.Ed.、EnergyEnviron.Sci.、NatureCommun.等30余份知名期刊审稿人和仲裁人；兼任ChineseChemicalLetters青年编委，中国材料与试验团体标准委员会电池及其相关材料领域委员会委员，深圳市电源技术学会专家委员会委员，国家自然科学基金委项目评审专家。

主要从事高安全性锂电池及关键材料体系的研究，以构筑高安全、低阻抗和高稳定电极/液态和固态电解质系统及界面为研究目标，聚焦于解决当前和下一代锂电池中的安全问题，取得了一系列兼具科学意义和产业应用价值的创新成果。

报告题目：

高安全性锂电池及关键材料研究

报告摘要：

如何提高锂离子动力电池的能量密度、安全性和快充性能成为当今能源器件关注焦点。锂电池电极/电解质的界面反应决定了电极材料性能的发挥和高安全性电池的构建，而电极/液态电解质界面较高的电化学和热副反应活性成为电池电化学性能和安全性能较差的根本原因；高阻抗的电极/固态电解质界面和较差的界面稳定性制约了固态电池性能的提升。因此揭示电极/电解质的界面反应性质并进行精确调控，解决电极/电解质界面副反应问题，获得高稳定性、低阻抗电极/电解质界面，是提高电池功率性能和安全性的有效途径。

报告从提高锂离子动力电池的安全性、功率密度和能量密度出发，通过各种先进显微成像和电化学表征手段综合分析，系统揭示了电极/电解质界面反应、高性能界面构筑与电池电化学性能和安全性的关系。重点对高性能聚合物电解质的原位制备及其在锂离子、锂硫和锂金属电池中的应用等方面进行介绍。

电池材料结构与表征最新研究动态与表征

4.报名方式（免费参会，名额有限，先到先得）

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5.独家冠名赞助商——赛默飞世尔科技简介

赛默飞世尔科技为锂电行业的

正负极、隔膜材料和电解液的表征、合浆和涂覆的过程控制，以及原位充放电过程分析提供了综合解决方案。我们提供成套的微观表征技术解决方案，实现对微纳米级结构的粒度、形状、成分的高精度分析，还能对多种尺寸的材料进行二维及三维的多尺度、高精度分析检测。该解决方案主要包含ThermoScientific™HeliScanCT（多功能计算机断层扫描系统）、扫描电镜、镓离子双束电镜、Xe等离子双束电镜、透射电镜等。

主办方-清华大学深圳研究生院材料与器件中心简介

清华大学深圳研究生院材料与器件检测中心成立于2008年，是由清华大学深圳研究生院设立并经中国合格评定国家认可委员会(CNAS)认可、加拿大标准协会(CSA)授权的综合性专业技术服务机构，中心专注于为广大科研机构和企业提供检测、分析、标准制定、技术合作开发等优质、可靠、高效、满意的技术服务。

中心目前购置总价值近1亿元的专业测试分析仪器和研发设备，拥有微区分析、谱学分析、理化分析、电池测试四大技术平台，各平台拥有完善的检测设备。包括FEITecnaiG2F30TEM，HORIBALabRAMHR800Raman、BrukerDimensionIconAFM、PHI5000Ver电池材料结构与表征最新研究动态saProbeIIXPS、Maccor电池测试仪等在内的国际专业检测分析设备。

data science sciencedirect

近年来，随着全球化学电池市场的快速发展和人们对环境问题的日益关注，二次电池(又称可充电电池或蓄电池)作为一种能够实现电能和化学能转换的新型储能技术，在新一轮能源改革中受到广泛关注。其中，锂离子电池已成为占据全球电化学储能市场80%份额的“绝对兄弟”，但由于资源稀缺、成本高，其产业发展面临“天花板”，而资源丰富、成本低廉的钠离子电池成为绝佳的补充。然而，钠离子电池的性能受到可用电极材料的限制，尤其是基于层状氧化物材料的阴极材料。

胡永生介绍说，自1980年以来，锂离子层状氧化物一直是锂离子电池的主要正极材料，其堆积构型为O型。相比之下，钠离子的层状氧化物有O和P两种构型，其中最常见的两种结构是O3和P2(数字代表氧的最少重复单元的堆积数)。这两种结构的层状氧化物作为钠离子电池正极材料各有优势，但目前的技术手段只能对合成材料进行物理表征以确定具体构型，无法直接预测材料的堆积结构，严重阻碍了层状氧化物正极材料的性能设计和新正极材料的发现。

中国科学院物理研究所研究员、中国知网海南分会创始人和主席胡永生领导的研究团队是世界上最早关注该领域研究的团队之一。2016年，中国科学院物理研究所齐兴国博士创新性地引入了当量半径(当量半径为加权半径，即过渡金属的半径乘以过渡金属的含量)的概念来预测堆垛机理，这是本课题研究的第一个思路。在后续的研究中，胡永生的团队通过合理设计和制备具有改进性能的层状电极材料，证明了堆积结构决定了材料的特性，为碱金属层状氧化物的设计提供了有效的解决方案。

据业内专家介绍，该研究提出了一种预测电池堆结构的简单方法，优化了钠离子电池的制造工艺，为进一步改善钠离子电池系统的储能特性提供了精确的指导。

“几年来，中科院物理研究所和中科海钠团队对钠离子层状氧化物两种构型形成的影响因素进行了大量的实验研究，并积极探索其在钠离子电池应用中的场景。”据胡永生介绍，他创办的中科海钠现已实现钠离子电池的批量生产，月生产能力超过30万，在钠离子电池的材料组成、结构、制造和应用等方面拥有数十项核心专利。(经济日报-中国经济网记者申会)

(编辑：胡风)

正极得电子 p3字谜

[研究背景] 由于钠资源丰富、成本低廉，钠离子电池在大型储能和低速电动汽车领域具有广阔的发展潜力。层状过渡金属氧化物作为一种电池材料，受到了研究者的广泛关注，目前的研究重点是具有P2和O3结构的阴极材料。以往的研究表明，P3结构不适合钠离子电池的电极材料。但文献调查发现，由于P3结构中的钠位于三棱柱位置，过渡金属层之间的距离较大，与O3相结构相比，钠离子的扩散能垒较低，具有钠离子电池优良负极材料的潜在优势。 [工作介绍] 近日，石在中山大学材料科学学院教授、曹大鹏教授的指导下，与中科院物理所副研究员合作，设计了一种零应变脱嵌钠(-)材料，解决了结构的快速容量衰减和电压衰减问题。密度泛函理论揭示了P3-MNCM稳定性的热力学原因。通过在P3结构中掺杂少量镁，制备了纯相P3-MNCM材料。通过半电池测试，发现该材料以0.2C的速率循环100次后容量保持率为85%(1c的长循环对比测试：容量保持率为Mg/原始样品%%)，以10C的速率容量保持率达到66.5%。整个电池测试也显示出良好的电化学性能(电压范围1.0-4.2V，比容量高达-1，在0.2C电流下的平均工作电压)。原位XRD测试结果表明，在2.0-4.3V电压范围内，钠插层过程中P3-MNCM电池的体积变形小于1.4%.第一性原理计算结果表明，Mg的引入可以有效缓解高钠去除下Ni3的Jahn-畸变，过渡金属层中的非活性Mg可以有效阻断八面体畸变的局部传导，从而有效提高P3结构的稳定性。这些发现为钠离子电池电极材料的后续开发提供了科学依据和参考。相应的研究成果发表在国际能源期刊《能源系统与材料》(EnergyStorageMaterials)上，标题为“-”。本论文第一作者为中山大学材料科学学院2019级博士生石，通讯作者为教授和曹大鹏教授。 [图形指南]...

中科院大学南科大

开发更有效的催化剂将促进放电产物的分解，降低过电位。梦姑的团队分别使用掺铂碳纳米管(Pt@CNT)和掺杂碳纳米管(@CNT)作为空气正极端子，将O2气体环境引入球差校正环境电子显微镜中，构建钠氧纳米电池。原位观察了放电/充电产物的形貌演变和相位差。在研究中，梦姑的团队在球面像差校正实验中确定了不同阴极支撑材料的钠氧电池的反应路径和形态演变。在放电过程中，钠离子通过固体电解质与O2反应，形成氢氧化钠相。随后，随着O2的释放，部分氢氧化钠歧化，产生空心球结构的放电产物。充电后，随着球体的收缩和外壳的塌陷，空心颗粒逐渐分解成纳米颗粒，在催化剂的作用下完全分解。研究小组使用原位选择性衍射(SEAD)等技术进行微观结构转变和化学成分分析，并演示了整个充放电过程中电化学反应的细节。该团队的研究成果可为进一步研究钠-空气电池的电化学催化反应过程和机理提供研究思路，为今后钠-氧电池系统的优化设计提供重要参考。朱元敏是这篇论文的第一作者梦姑是这篇论文的作者，柯南大学是唯一的交流单位。单原子催化剂：催化钠-二氧化碳空气电池微观演化机理的原位研究金属-CO2电池的效率可以提高到与锂-O2电池相当或更高的水平。此外，金属-CO2电池中二氧化碳的消耗也有助于缓解全球变暖危机和温室效应。梦姑的团队发明了一种新的有效的催化剂——铂单原子修饰的碳氮化物纳米管(铂-硫@NCNT)，它可以可逆地催化金属-CO2电池的反应。该团队借助环境球差透射电子显微镜和原位充放电样品棒，研究了钠-CO2电池在CO2气氛中的充放电行为，并原位证实了放电/充电产物的形貌演化和电化学反应机理。...

什么是原位分析管窥蠡测和管中窥豹

首先，优化阴极材料，使电池能量密度更高，对LIB的未来发展非常重要。使用较厚的阴极是提高电池系统实际能量密度的一种简单有效的方法，可以有效降低非活性电池组件的相对重量。然而，这将导致锂离子传输问题和不均匀的电化学反应，特别是在高速循环时。因此，这些深入分析的原位测试技术将为优化电极结构的设计提供有价值的信息。原位NDP技术已被成功开发用于研究阴极中的锂传输或锂浓度。然而，通过XRD或XAS对电极材料进行深度分析的报道很少。XRD和XPDF可以用来监测阴极材料的结构和晶格参数的演化、机械应变分布和局部结构变化，而XAS可以提供阴极材料在循环过程中的化学和局部原子环境信息。利用同步辐射源微尺度甚至纳米级聚焦光束的优势，利用这些技术获得电极深度的原位分析信息是一个很有前途的发展方向。第二，另一个重要的研究领域是开发安全可逆的锂金属阳极。金属锂被认为是高能量密度锂基可充电电池的最终阳极。然而，锂的不安全枝晶沉积和差的可回收性阻碍了金属锂电池的实际应用。在实际的原位和操作条件下，包括枝晶成核/生长和分解反应在内的基本机理还没有得到很好的描述和解释。为了实现这一目标，开发合适的原位技术来研究树枝状和多孔锂结构的形成机理以及锂金属阳极的降解机理是非常重要的。原子力显微镜和SECM可以有效地评估界面特性，并提供拓扑、力学和电化学特性。拉曼光谱技术已经应用于捕获锂离子浓度。除了表面性质，XRD还可以帮助提取结构演化和NDP，并提供锂的空间分布/密度。对于详细的纳米结构和结晶分析，传统的透射电子显微镜由于严重的束损伤而受到限制。瞬变电磁法在低温下的应用有助于解决这一问题。第三，形成稳定的SEI或CEI对提高电池的电化学性能具有重要意义。一般来说，稳定均匀的SEI层可以防止电极和电解质之间的持续寄生反应，这对于实现高库仑效率非常重要。稳定的CEI层可以通过阴极材料的表面重构来防止不...

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跟随随着人类社会的发展，全球环境和能源问题越来越严重。开发清洁、安全、高效的新型储能技术已成为研究者关注的焦点。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、环保等优点，已广泛应用于手机、平板电脑等便携式电子设备中，并取得了巨大的商业成功。然而，近年来，随着新能源汽车产业的快速发展，商用锂离子电池已经不能满足市场的刚性需求。与传统燃油车相比，纯电动汽车在性能、安全性和续航能力上仍有较大差距。因此，开发高比容量、长循环寿命、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和宏观结构变化的动态耦合。锂离子嵌入和脱嵌过程中正负极材料的结构稳定性一直是制约锂离子电池进一步升级的关键。因此，实现充放电过程中电极材料的结构表征对于高性能锂离子电池的开发和设计非常重要。然而，在工作条件下，总是很难表征电池材料的结构。一方面，电化学反应是一个非平衡过程，其中存在各种复杂的物理化学变化，大大增加了材料结构表征和分析的难度；另一方面，这些结构变化发生在不同的长度尺度上，许多微观和宏观的结构变化是相互耦合的，如晶格畸变和极片开裂、相结构转变和副反应，这些共同决定了电池的最终性能。在过去的几十年中，各种时间分辨原位表征技术已经被开发并应用于电池研究领域。其中，高能同步辐射X射线和高通量脉冲中子由于具有互补的散射、光谱和成像能力，近年来逐渐发展成为表征多尺度结构变化的有力工具，推动了锂离子电池研究和产业的快速发展。...

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近日，中科院物理所研究员、中国知网海南创始人和主席胡永生、中科院物理所副研究员陆亚祥以及法国波尔多大学和荷兰代尔夫特理工大学的研究人员提出了一种预测钠离子层状氧化物构型的简单方法，并在实验中证明了该方法的有效性，为低成本高性能钠离子电池层状氧化物阴极材料的设计和制备提供了理论指导。关于相关研究成果的论文最近发表在世界顶级学术期刊《》上。近年来，随着全球化学电池市场的快速发展和人们对环境问题的日益关注，二次电池(又称可充电电池或蓄电池)作为一种能够实现电能和化学能转换的新型储能技术，在新一轮能源改革中受到广泛关注。其中，锂离子电池已成为占据全球电化学储能市场80%份额的“绝对兄弟”，但由于资源稀缺、成本高，其产业发展面临“天花板”，而资源丰富、成本低廉的钠离子电池成为绝佳的补充。然而，钠离子电池的性能受到可用电极材料的限制，尤其是基于层状氧化物材料的阴极材料。胡永生介绍说，自1980年以来，锂离子层状氧化物一直是锂离子电池的主要正极材料，其堆积构型为O型。相比之下，钠离子的层状氧化物有O和P两种构型，其中最常见的两种结构是O3和P2(数字代表氧的最少重复单元的堆积数)。这两种结构的层状氧化物作为钠离子电池正极材料各有优势，但目前的技术手段只能对合成材料进行物理表征以确定具体构型，无法直接预测材料的堆积结构，严重阻碍了层状氧化物正极材料的性能设计和新正极材料的发现。中国科学院物理研究所研究员、中国知网海南分会创始人和主席胡永生领导的研究团队是世界上最早关注该领域研究的团队之一。2016年，中国科学院物理研究所齐兴国博士创新性地引入了当量半径(当量半径为加权半径，即过渡金属的半径乘以过渡金属的含量)的概念来预测堆垛机理，这是本课题研究的第一个思路。在后续的研究中，胡永生的团队通过合理设计和制备具有改进性能的层状电极材料，证明了堆积结构决定了材料的特性，为碱金属...

锂离子电池按正极材料可分为材料表面表征方法

3、晶体结构表征（1）X射线衍射技术（XRD）通过XRD，可以获得材料的晶体结构、结晶度、应力、结晶取向、超结构等信息，还可以反映块体材料平均晶体结构性质，平均的晶胞结构参数变化，拟合后可以获取原子占位信息等首次将原位的XRD技术应用到锂离子电池中。通过利用同步辐射光源的硬X射线探测原位电池装置中的体电极材料，直观的观察到晶格膨胀和收缩、相变、多相形成的结果。（2）扩展X射线吸收精细谱（）通过X射线与样品的电子相互作用，吸收部分特定能量的入射光子，来反映材料局部结构差异与变化的技术，具有一定的能量和时间分辨能力，主要获得晶体结构中径向分布、键长、有序度、配位数等信息；通常需要同步辐射光源的强光源来实现实验 Jung等通过用分析研究了嵌SnOx／CuOx的碳纳米负极材料的电化学性质，表明嵌 SnOx／CuOx的碳纳米纤维具有一个无序的结构，形成了SnOx颗粒的特殊分布，由此导致电化学性能有所提升[12]。（3）中子衍射（ND）当锂离子电池材料中有较大的原子存在时，X射线将难以对锂离子占位进行精确的探测。中子对锂离子电池材料中的锂较敏感，因此中子衍射在锂离子电池材料的研究中发挥着重要作用。 Arbi等通过中子衍射确定了锂离子电池固态电解质材料LATP中的 Li+占位[13]。（4）核磁共振（NMR） NMR具有高的能量分辨、空间分辨能力，能够探测材料中的化学信息并成像，探测枝晶反应、测定锂离子自扩散系数、对颗粒内部相转变反应进行研究。 Grey等对NMR在锂离子电池正极材料中的研究开展了大量的研究工作。表明从正极材料的NMR谱中可以得到丰富的化学信息及局部电荷有序无序等信息，并可以探测顺磁或金属态的材料，还可以探测掺杂带来的电子结构的微弱变化来反映元素化合态信息。另外结合同位素示踪还可以研究电池中的副反应...

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