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鋰離子電池已成為大功率、中等規(guī)模儲(chǔ)能的領(lǐng)先技術(shù)，其應(yīng)用范圍廣泛，包括電動(dòng)汽車和便攜式設(shè)備。推進(jìn)鋰離子電池技術(shù)（尤其是快充）的關(guān)鍵是在納米到微米范圍上實(shí)時(shí)跟蹤和了解鋰離子在實(shí)際條件下脫嵌活性主體材料的動(dòng)態(tài)過(guò)程。因此，需要原位表征技術(shù)來(lái)檢查工作電池中倍率性能的基本極限。

然而，利用現(xiàn)有的電化學(xué)方法跟蹤電極中的離子運(yùn)動(dòng)是非常具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榛钚粤Ｗ釉诹Ｗ雍碗姌O水平上通常本質(zhì)上是無(wú)序的，并且可能表現(xiàn)出異質(zhì)性。目前，對(duì)電池運(yùn)行期間的鋰離子動(dòng)力學(xué)成像需要使用同步加速器X射線或電子顯微鏡技術(shù)，能夠探測(cè)檢測(cè)單個(gè)粒子所需的長(zhǎng)度和時(shí)間尺度，獲得化學(xué)和結(jié)構(gòu)信息。但這種技術(shù)成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，會(huì)受到光束誘導(dǎo)樣品退化的影響，并且不適合高通量的材料篩選，進(jìn)而限制了快速和合理的材料改進(jìn)。

光學(xué)顯微鏡技術(shù)可以克服這些缺點(diǎn)，為此，劍橋大學(xué)Akshay Rao，Clare P. Grey，Christoph Schnedermann開(kāi)發(fā)了一種基于實(shí)驗(yàn)室的、簡(jiǎn)單的光學(xué)干涉散射顯微鏡(iSCAT)作為一個(gè)快速、低成本的成像平臺(tái)來(lái)可視化和量化單粒子水平的離子動(dòng)力學(xué)。

iSCAT使用可見(jiàn)光的彈性散射來(lái)實(shí)現(xiàn)快速采集時(shí)間和高靈敏度，直到現(xiàn)在還沒(méi)有應(yīng)用于電池研究。使用iSCAT，研究人員解決了電池材料中的納米鋰離子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，追蹤了Li_xCoO₂正極材料中單個(gè)粒子的循環(huán)。他們直接可視化絕緣體到金屬、固溶體和鋰的有序相變，并確定單粒子水平的鋰擴(kuò)散速率，鑒定了不同的充電和放電機(jī)制。最后，在Li_0.5CoO₂組分中不同晶體取向之間，作者捕獲了疇壁的動(dòng)態(tài)形成。

該方法的高通量特性允許在整個(gè)電極上對(duì)許多粒子進(jìn)行采樣，并且在未來(lái)能夠探索位錯(cuò)、形態(tài)和循環(huán)速率對(duì)電池退化的作用。該成像概念的通用性意味著它可以應(yīng)用于研究任何電池的電極，更廣泛地說(shuō)，可以應(yīng)用于研究離子傳輸與電子或結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的系統(tǒng)。此類系統(tǒng)包括納米離子膜、離子導(dǎo)電聚合物、光催化材料和憶阻器。

相關(guān)結(jié)果以Operando optical tracking of single-particle ion dynamics in batteries為題發(fā)表在Nature期刊上。

繼3篇Science后，他的第3篇Nature！

圖1：LCO電極的電化學(xué)性能和干涉散射顯微鏡

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圖2：電池運(yùn)行期間活性粒子的光學(xué)響應(yīng)

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圖3：脫嵌鋰時(shí)的雙相相變行為

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圖4：在各種電流密度下雙相相變的行為

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圖5：Li_0.5CoO₂組分的單斜畸變動(dòng)力學(xué)

Merryweather, A.J., Schnedermann, C., Jacquet, Q. et al. Operando optical tracking of single-particle ion dynamics in batteries. Nature 594, 522–528 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03584-2

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