原子尺度下对锂离子电池脱锂、嵌锂动态过程的机理研究

结合最新开发出的球差校正环形明场扫描透射电子显微方法，实现在亚埃分辨率下对锂离子电池脱锂、嵌锂动态过程的观测，从而进一步建立原子尺度上电池材料的微观结构与材料的物理、化学性质，及充放电过程中的热力学、动力学性质之间的联系。研究电极材料中可能存在的嵌入化学、表面吸附、可逆化学键断裂等储能机制，探讨充放电过程中可能发生的结构演变与新相形成，以及由此引发的电极材料能带结构的变化及其在能量存储和转化过程中所扮演的角色。研究正、负极和电解质中的离子、电子传导机制，锂离子的扩散路径，以及离子输运过程中导致的晶格应力变化和由此引起的体系电子结构的变化。从而对电极材料的储能机理与输运机制产生根本的认识。在原子尺度下，全面掌握电极与电解质中表面和界面问题，为新型电池结构的设计和材料的优化提供重要基础支持。

利用先进的球差校正环形明场扫描透射电子显微方法实现在原子尺度下对锂离子电池材料不同脱锂、嵌锂状态下的结构演变的表征，建立从原子尺度微观结构的演化与材料的物理、化学性质之间的关联。主要工作集中在以下几点：（1）三维双连续Au/非晶Ge薄膜电极，这一研究成果充分体现了电极结构优化设计在提高电极材料性能方面的重要作用，将为开发高性能合金负极材料提供非常有意义的指导。（2）原子尺度LiCoO2脱嵌Li结构相变研究，这一研究成果也充分体现了先进电子显微分析技术在认识锂离子电池电极材料反应机理方面所扮演的重要角色，为探索高性能电极材料提供了强有力的手段。（3）原子尺度Li4Ti5O12三相嵌钠机制的直接观察，该研究结果不仅有助于深入理解Li4Ti5O12嵌锂或嵌钠机理，同时也为外来原子脱嵌所引起的相边界结构及其演化奠定了初步基础。（4）LiFePO4/ FePO4中“阶”结构的尺寸效应，这一研究成果LiFePO4-FePO4电极快速充放电性能的深入理解有着重要的意义。（5）部分脱/嵌锂Li2MnO3的原子尺度结构研究，这一研究成果对于深入理解Li2MnO3的充放电过程有着重要的意义。（6）LiCrO2电化学失活的原子尺度机制，这一研究结果对于理解锂离子电池电极材料的电化学性能衰退机理有重要参考意义。（7）NASICON结构NaxV2(PO4)3钠离子电池正极材料的原子结构与动力学，这一研究结果从原子尺度上阐明了Na3V2(PO4)3的储钠机制和钠迁移动力学，也将为研究其他NASICON结构电极材料提供有益的启示。（8）原位全固态锂-氧气电池环境扫描电子显微研究，这一研究成果对于理解锂-氧电池充放电过程、电荷输运和电池失效机理有重要参考意义。（9）锂-氧气电池放电产物Li2O2原子尺度结构研究。该研究为Li2O2在充放电过程中的结构演变提供了新的思路，进而加深了对锂空电池中的氧化还原反应机理的理解。（10）Li4Ti5O12负极材料表面与体相的原子尺度结构演变的研究。该研究对最终理解、控制锂离子电池电化学过程提供了理论指引。