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系統聯用技術在鋰電池研究中的應用
完成單位：中國科學院化學研究所
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集中在電極/電解質界面，其界面特性與電化學性能具有緊密相關性，實現界面過程的多尺度原位追蹤對于理解反應機制具有重要意義。 然而鋰電池運行環境的復雜體系中原位成像難度大，涉及界面反應過程的微觀機制并不清晰，因此，大力發展針對復雜體系下表界面表征的高分辨原位成像分析技術是能源材料與器件領域的迫切需求。針對能源體系中電極過程的復雜性，本項目發展了基于電化學掃描探針顯微鏡、共聚焦微分干涉顯微鏡-拉曼光譜聯用光學系統的先進表界面原位表征技術，成功應用于高比能鋰電池（諸如鋰硫電池、鋰氧電池以及固態金屬鋰電池）充放電過程中電極/電解質界面結構與組分動態演化規律的研究。近三年來，相關結果在Nat. Commun. (1篇)，J. Am. Chem. Soc. (2篇)，Angew. Chem. Int. Ed. (3篇)，Energ. Environ. Sci. (1篇)等國際權威學術雜志發表，獲得授權中國發明專利1項，申請中國發明專利1項。
創新點及科學價值：
（1）成功實現了鋰氧電池中電極/電解液/氧氣三相界面的原位原子力顯微鏡（AFM）成像，依據充放電過程中過氧化鋰成核電位、反應位點、反應路徑和反應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監測，理解了放電產物過硫化鋰/硫化鋰的成核、生長、轉化及分解行為的演化規律，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控作用；
（3）成功捕獲了納米尺度上固體電解質界面（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性的影響，定量研究了SEI在循環過程中的演化過程；
（4）成功實現了硫碳復合正極-固態電解質-金屬鋰負極的全固態電池體系在充放電過程中動態演變的光學成像監測，揭示了多硫化物穿梭、電解質的不可逆形變以及鋰膨脹是導致電池失效的主要原因。
社會經濟效益：
本成果為能源體系中復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微觀機制提供了分析手段和實驗依據，也為電極材料和電解質的設計和優化提供了思路和指導。
應用前景：
本成果針對鋰電池界面成像特點發展的原位表征技術以及設計的原位成像電化學池具有原位檢測、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用前景。
