固体电化学锂化过程的原子尺度观测表征与界面调控研究

Ionic transport and storage are of fundamental importance in new-energy devices such as lithium batteries, and studies on the ionic.migration-related mass transfer, electrochemical reaction and interface manipulation will constitute the basis for developing the high-efficiency devices. This project will focus on the lithium ion migration processes , with emphasis on studies of the solid-state ionic migration and storage dynamics and the related interface manipulation and delicate control by employing in-situ transmission electron.microscopy (TEM),.pulsed laser deposition (PLD) and other techniques. The main objective is to explore new working principle at atomic scale for the high-efficiency energy conversion and storage and to elucidate the design mechanism of the related energy material and devices. This project aims to address the following key scientific issues: 1) the in-situ and real-time characterization of ionic migration process; 2) the mechanism of electrochemical mass-transfer process; 3) the relationship between material structure and energy conversion and storage. The research contents of this project are on the basis of our previously home-made "in-situ TEM based physical and chemical property probing system" and our previous work on the lithium storage mechanism and related studies. This project is expected to attain.breakthrough in new-energy application oriented fundamental research and to provide some principle solutions for addressing the critical problems existed in current and future energy conversion and storage devices.

离子输运和存储是锂离子电池工作的基本过程，与之相伴的传质、电化学锂化反应和界面过程研究是开发高性能锂离子电池的重要基础研究课题，本项目将研究固态离子输运及其界面调控方法，以及电化学锂化的原子机制。以锂电池材料（包括正极、负极和固体电解质）及其界面结构为研究对象，利用原位透射电子显微学方法和固体薄膜界面制备技术，结合电化学性能测试，在原子尺度原位实时观测表征材料和界面的离子输运和电化学锂化反应过程及其发生的结构相变，揭示电池工作过程中锂离子的精确占位、相变机制、电化学传质、失效机理等重要问题，探索提高锂离子电池性能的新方法，以及开发全固态锂电池的技术途径。本项目基于我们自主研制的原位透射电子显微镜综合性质测试表征平台，以及在固态离子输运和材料电化学锂化机制研究方面的工作基础，有望取得重要原创性结果。

离子输运和存储是离子电池工作的基本过程，与之相伴的传质、电化学锂化反应和界面过程研究是开发高性能锂离子电池的重要基础。本项目在固态离子输运及其界面调控方法、电化学锂化的原子机制、电化学合成方法探索等方面取得研究进展。通过发展原位透射电镜电化学反应池方法，构筑电池材料及其界面器件，结合电化学性能测试，在原子尺度原位实时观测表征材料和界面的离子输运和电化学锂化反应过程及其发生的结构相变，揭示了电化学器件工作过程中离子迁移动力学、结构相变机制、以及界面反应原子机制等重要科学问题。此外，在项目实施过程中，提出了非固溶体系Cu-Li非晶合金化的潜在制备方法，以及二维碱金属纳米片的原位电镜电化学制备方法。项目发表SCI论文13篇，申请发明专利4件，其中2件已授权，培养博士毕业生5人。项目基于自主研制的原位透射电子显微学表征技术，研究获得了固态离子输运和材料电化学锂化机制研究方面的规律性认识，对提高离子电池性能的方法，发展绿色清洁能源具有重要意义。