全固态电池表界面原子尺度结构与电子结构

The arising of all solid state lithium ion battery shows the direction of solving traditional lithium ion battery’s safety and energy density issues. Nowadays, the poor performance of all solid state ion battery is still the main barrier of its widely application. This project will start from the atomic structure and electronic structure’s evolution of all solid state lithium ion battery at different state of charge. Using focused ion beam, aberration corrected scanning transmission electron microscope, electron energy loss spectrum, electron holography and in-situ electron microscopy to investigate the interface’s structure matching condition, electron transportation, ion migration and change of electronic structure and density of state. Using in-situ electron microscopy to characterize the structure change of interface in real time, we will understand the relationship between structure and property from the most basic viewpoint. In this project, special emphasis will be on the changing of interface structure, because totally different interface between all solid state battery and traditional liquid electrolyte battery. The atomic scale results obtained from our work will provide insights on how to design better performance all solid state battery.

全固态锂离子电池的出现为解决传统锂离子电池由于液态电解质导致的安全问题和能量密度问题提供了解决方向，但如今全固态电池的性能是制约其广泛应用的主要障碍之一。本申请从电极-固态电解质表界面的结构出发，系统地研究全固态电池表界面在不同条件下原子尺度结构与电子结构演化的基础科学研究工作。主要包括利用聚焦离子束刻蚀、球差校正扫描透射电子显微术、电子能量损失谱、电子全息以及原位电镜实验方法，系统研究在不同的充放电状态下表界面的结构演化、电子转移、离子迁移及其导致的电子结构与态密度变化；采用原位透射电镜技术实时表征界面结构的演变，理解全固态电池在循环过程中的性能变化，为改善全固态电池的性能提供有效对策与途径。针对全固态电池界面结构与传统液态电解质电池界面具有本质差异的特点，着重研究表界面的结构演变与性能的关系，为设计高性能的全固态电池材料提供原子尺度结构信息。

利用先进的球差校正环形明场成像方法和原位芯片技术实现在原位原子尺度下对全固态电池材料表界面、不同脱锂状态下的结构演变以及新型电极材料的储能机制进行了深入研究，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）发展外场调控下原位原子尺度电子显微成像方法。利用微加工技术构建了可放置在透射电镜中微型全固态电池，实现了原位电场驱动锂离子脱出过程中对原子结构和电子结构演化的实时原子尺度成像。完成了对储能材料LiCoO2电化学行为的物理机制及锂离子迁移和全固态电池中LiNi0.5Mn1.5O4正极材料三维结构演变的原位原子尺度研究。（2）对层状电极材料中的过渡金属离子、锂和氧等离子的迁移进行原位研究。如在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM811)中发现了过渡金属离子的迁移及无序占位导致层间距和Ni-O键长的较大涨落,揭示出氧空位诱导的过渡金属离子无序是电压衰减的根源。（3） 对新型电极材料的微观结构进行了细致探索，探讨其原子尺度结构与性能间关联。重点探索了Nb2O5和La0.5Li0.5TiO3在电化学性能和原子尺度结构特征，结合第一性原理对其优异性能进行了探索，为新型电极材料的开发提供了新的指导。