谷猛/韩兵等JACS：冷冻电镜揭示锂氧电池中非晶产物的本征原子结构和化学性质

质子锂氧电池（LOBs）是具有超高理论能量密度的有前途的储能系统。尽管对此电池技术进行了广泛的研究，但所涉及的详细运行机制，特别是对各种放电产物及其具体分布的明确识别仍然未知或存在争议。部分是因为电池化学的内在复杂性，同时也缺乏通过可靠技术获得的氧电极的原子级洞察。

在此，南方科技大学谷猛研究员、韩兵及美国宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco等人证明了电子束辐照可以诱导非晶放电产物的结晶，因此必须使用低温条件和低光束剂量来进行可靠的透射电子显微镜（TEM）表征，其中液氮温度和低电子束辐照对于获得可靠的高分辨率成像和光谱分析至关重要。

对环形放电粒子的高分辨率冷冻电镜和电子能量损失光谱（EELS）分析表明，大多数环形放电粒子是完全非晶态LiO₂，而只有13%观察到的粒子中含有一些微小的结晶Li₂O₂岛。Cryo-EELS和拉曼光谱分析表明，放电粒子主要由非晶态LiO₂、少量结晶Li₂O₂、一些有机C-O物种和少量无定形碳组成。

图1. 放电产物的Cryo-TEM/EELS分析

此外，在充电过程中，非晶环的长径比（直径/厚度）增大，表明环/电解质界面比环/电极界面更具活性。最后，环状颗粒中LiO₂物种和副产物的共存会导致电池极化较大，从而导致较高的充电电位。值得注意的是，根据TEM和SEM的结果，放电产物可以可逆循环，完全充电后没有可见的残留物。

研究表明，cryo-TEM/EELS有望成为未来研究LOB和其他类似电池系统中敏感放电产物的直接原子级表征主流技术，以非晶超氧化物为主的放电粒子可以引导研究人员重新考虑LOB的化学性质并特别注意排除传统TEM表征中的射束诱导伪影。

图2. 充电过程中放电粒子的结构演变

Revealing the Intrinsic Atomic Structure and Chemistry of Amorphous LiO₂‑Containing Products in Li-O₂ Batteries Using Cryogenic Electron Microscopy, Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.1c10146

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谷猛/韩兵等JACS：冷冻电镜揭示锂氧电池中非晶产物的本征原子结构和化学性质

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