獲獎項目簡介
2019年CAIA獎一等獎獲獎項目成果簡介：掃描探針顯微鏡與光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)用技術(shù)在鋰電池研究中的應(yīng)用
完成單位：中國科學(xué)院化學(xué)研究所
完成人：文銳，郎雙雁，施楊，萬立駿
成果簡介：
鋰電池的充放電反應(yīng)集中在電極/電解質(zhì)界面，其界面特性與電化學(xué)性能具有緊密相關(guān)性，實現(xiàn)界面過程的多尺度原位追蹤對于理解反應(yīng)機制具有重要意義。 然而鋰電池運行環(huán)境的復(fù)雜體系中原位成像難度大，涉及界面反應(yīng)過程的微觀機制并不清晰，因此，大力發(fā)展針對復(fù)雜體系下表界面表征的高分辨原位成像分析技術(shù)是能源材料與器件領(lǐng)域的迫切需求。針對能源體系中電極過程的復(fù)雜性，本項目發(fā)展了基于電化學(xué)掃描探針顯微鏡、共聚焦微分干涉顯微鏡-拉曼光譜聯(lián)用光學(xué)系統(tǒng)的先進表界面原位表征技術(shù)，成功應(yīng)用于高比能鋰電池（諸如鋰硫電池、鋰氧電池以及固態(tài)金屬鋰電池）充放電過程中電極/電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)與組分動態(tài)演化規(guī)律的研究。近三年來，相關(guān)結(jié)果在Nat. Commun. (1篇)，J. Am. Chem. Soc. (2篇)，Angew. Chem. Int. Ed. (3篇)，Energ. Environ. Sci. (1篇)等國際權(quán)威學(xué)術(shù)雜志發(fā)表，獲得授權(quán)中國發(fā)明專利1項，申請中國發(fā)明專利1項。
創(chuàng)新點及科學(xué)價值：
（1）成功實現(xiàn)了鋰氧電池中電極/電解液/氧氣三相界面的原位原子力顯微鏡（AFM）成像，依據(jù)充放電過程中過氧化鋰成核電位、反應(yīng)位點、反應(yīng)路徑和反應(yīng)速率直觀揭示了可溶性催化劑的表面作用機制；
（2）通過充放電過程中鋰硫電池界面過程在納米尺度上的原位AFM監(jiān)測，理解了放電產(chǎn)物過硫化鋰/硫化鋰的成核、生長、轉(zhuǎn)化及分解行為的演化規(guī)律，并揭示了鋰鹽對硫化鋰的沉積形貌以及分解路徑的重要調(diào)控作用；
（3）成功捕獲了納米尺度上固體電解質(zhì)界面（SEI）膜的初始成核、逐步生長與成膜的系列演化過程，闡明了電解液添加劑以及不同陰離子對SEI膜的生長模式、界面特性及其與電池性能相關(guān)性的影響，定量研究了SEI在循環(huán)過程中的演化過程；
（4）成功實現(xiàn)了硫碳復(fù)合正極-固態(tài)電解質(zhì)-金屬鋰負(fù)極的全固態(tài)電池體系在充放電過程中動態(tài)演變的光學(xué)成像監(jiān)測，揭示了多硫化物穿梭、電解質(zhì)的不可逆形變以及鋰膨脹是導(dǎo)致電池失效的主要原因。
社會經(jīng)濟效益：
本成果為能源體系中復(fù)雜電極過程的原位表界面分析提供了重要的測試與表征方法，為深入理解高比能鋰電池的界面反應(yīng)微觀機制提供了分析手段和實驗依據(jù)，也為電極材料和電解質(zhì)的設(shè)計和優(yōu)化提供了思路和指導(dǎo)。
應(yīng)用前景：
本成果針對鋰電池界面成像特點發(fā)展的原位表征技術(shù)以及設(shè)計的原位成像電化學(xué)池具有原位檢測、空間分辨率高、掃速快、制樣及操作簡便、可實施性高、樣品無損傷等優(yōu)勢，未來在電池器件的原位檢測和失效分析方面具有重要應(yīng)用前景。
