单颗粒锂离子电池正极活性物质的先进AFM多场原位研究

Lithium ion batteries are widely used in various fields, such as mobile phones, motor vehicles and power grids, due to their unique performance advantages. By studying the single nanoparticles of active substances, the essential properties of the material can be obtained, which lays the foundation for the design of the electrode materials for high performance lithium ion batteries. In view of the complexity of the structure and properties of lithium ion battery and the development trend of advanced AFM technology, this project is going to carry out multi-field in-situ study of the single nanoparticle in lithium ion battery cathode active material by using advanced AFM. In situ multi- field advanced AFM characterization method of high resolution are developed firstly, to characterize the structure and properties of different size nanoparticles in solution reaction process and electrochemical cycle. The changes of structure and properties under different external conditions will be obtained, and the relationship between structure and properties can be established. According to the experimental data, theoretical analysis and simulation results, the influence of the particle size and surface effect on the electrochemical reaction, mechanical stability and conductivity and laws will be studied, and the mechanism of inactivation of active substances will be explored. This study will provide experimental basis and theoretical guidance for the design and preparation of high performance electrode material.

锂离子电池以其独特的性能优势在手机、电动机车、电网等不同领域中广泛应用。通过对活性物质单颗粒进行研究，可以获得实际材料的本质特性，为高性能锂离子电池电极材料设计奠定基础。针对锂离子电池电极结构和性质变化的复杂性和先进AFM技术的发展趋势，本项目拟开展单颗粒锂离子电池正极活性物质的先进AFM多场原位研究。发展先进AFM的高分辨多物理场的原位表征方法，对不同尺寸单颗粒与痕量溶液反应过程及其单颗粒在电化学循环过程中的结构和多种性质变化进行表征，得出结构和性质在不同外场条件下的变化规律，建立结构和性质之间的关系。结合实验数据、理论分析和模拟计算结果，探索纳米单颗粒尺寸和表面效应对电化学反应、机械稳定性和导电性的影响和规律，并探讨活性物质的失活机理，为高性能电极材料的设计和制备提供实验依据和理论指导。

锂离子电池以其独特的性能优势在手机、电动机车、电网等不同领域中广泛应用。电极是锂离子电池的重要组成部分，发展电极活性材料是电池科技领域的重要内容。通过对单颗粒活性材料或物质进行研究，可获得实际材料的本质特性，为发展高性能锂离子电池电极材料奠定基础。由于电极材料在充放电过程中的复杂性和动态性，在充分利用现有测试分析手段的同时，迫切需要发展先进的多场原位表征手段。本项目按预定计划开展并完成了以下创新性工作：发展和构建了先进双模调幅调频原子力显微技术和系统，系统研究了典型电极材料纳米颗粒/薄膜在充放电循环过程中表面形貌和纳米力学性质的演化规律；研制成功具有自主知识产权电化学高速原子力显微镜，实现纳米颗粒在电化学循环过程中的原位动态观测；发展高灵敏原位拉曼光谱系统，研究电极材料的表面结构在充放电循环过程中的演化及规律；发展和构建激光诱导力显微系统，为研究电极材料提供了新的实验手段。因此，上述研究工作的开展，不仅为电极材料的表征分析提供了新的实验方法和实验手段，而且将电极微观结构和性质与电池宏观性能联系起来，为深入认识和理解电池循环性能衰减和失效机理、设计和制备高性能电极材料的提供丰富的实验数据和理论指导，因而具有重要科学意义和应用价值。