原位液体池电镜技术研究锂电池电化学反应的动力学过程

Today Li-ion batteries (LIBs) are indispensably used as energy storage devices for portable electronics such as cell phone, camera and laptop. To design better LIBs, it’s prerequisite to study the mechanism of electrochemical reactions in the electrodes during charging and discharging in order to understand how the electrodes function and why they fail. Most recently, the in situ liquid cell transmission electron microscopy enables us to track the electrochemical reactions in individual electrode nano-objects, providing unprecedented opportunities to study the dynamic process in LIBs..Here we propose to employ such an approach to study the mechanism of conversion reaction in fluorides cathodes of FeF2 and CuF2. We’ll reveal the detailed morphological, structural and chemical evolutions of electrode during charging and discharging including the nucleation of metal phase, heterogeneity and rate of reactions, the microstructure and chemical composition of SEI, the reversibility of structure and the reaction paths, and then providing useful insights into designing better batteries.

锂电池已成为我们日常生活的必需品，各种便携式的电子设备如手机、相机、平板电脑都需要用到锂电池。研究锂电池的工作原理是我们设计更安全、更便宜、寿命更长、容量更大、效率更高的电池的前提。最近国际发展起来的原位液体池电镜技术， 使得我们能实时跟踪锂电池电化学反应过程的动力学过程，为研究锂电池提供了一个非常好方法。.本项目中，我们拟用原位液体池方法来研究金属氟化物正极材料FeF2和CuF2中转化反应的机理。我们将重点关注转化反应过程中金属相的成核、反应的均匀性和反应速率、SEI膜的形成和成分、循环过程中结构是否能完全恢复、充电放电过程反应路径有何不一样等焦点问题，从而探索微观结构演化的细节与锂电池宏观性能之间的联系，理解为什么氟化物电极材料的循环性能比较差和能量转化效率比较低，为设计更好的电池提供理论依据。

锂离子电池广泛地应用于各种便携式设备，电动汽车以及国家电网上。通常锂离子电池的电化学性能与锂离子在电极内部的迁移行为息息相关。通过研究其工作机理可以指导我们设计性能更好的电池。近年发展的原位技术可以让我们实时地研究锂离子电池电化学反应的动力学过程，成为研究锂离子电池的先进手段。.本项目我们首先自主发展了液体池技术，包括液体池本身的设计、检漏台的设计等，并且做了一些原位液体池实验测试。此外，发展了原位透射电子显微镜技术，以二维过渡族金属硫化物为研究对象，系统研究了二维过渡族金属硫化物嵌入锂离子、钠离子和钾离子的微观机制。通过对其电化学反应过程的实时观察，我们探究了二维过渡族金属硫化物作为电极材料电化学曲线对应的微观反应机理。并发现碱金属离子在电极材料中的动态输运影响电池的倍率性能，锂离子在电极材料中嵌入和脱出的反应路径影响电池整体的效率。通过这些观察我们可以把微观结演化和电池宏观性能之间联系起来，为更好地设计电池设计提供理论依据。