材料科学与工程博士后研究员陈文祥是一项新研究的第一作者，该研究将陶瓷和冶金中常见的成像技术应用于可充电离子电池研究。来源：弗雷德·兹威基

为了设计更好的可充电离子电池，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的工程师和化学家合作，将强大的新型电子显微镜技术和数据挖掘相结合，以视觉方式精确定位离子电池内的化学和物理变化区域。

由材料科学与工程教授钱陈（Qian Chen）和左建敏（Jian-Min Zuo）领导的一项研究首次在纳米尺度上绘制出可充电离子电池内部的改变域 - 分辨率比当前的X射线和光学方法提高了10倍或更多。

研究结果发表在《自然材料》杂志上。

该团队表示，以前了解电池材料工作和失效机制的努力主要集中在充电循环的化学效应上，即电池电极化学成分的变化。

一种新的电子显微镜技术，称为四维扫描透射电子显微镜，允许该团队使用高度聚焦的探针来收集电池内部工作的图像。

“在可充电离子电池的操作过程中，离子扩散进出电极，导致机械应变，有时还会导致开裂失败，”博士后研究员和第一作者Wenxiang Chen说。“使用新的电子显微镜方法，我们可以首次捕获电池材料内部由应变引起的纳米级结构域。

陈倩说，这些类型的微观结构异质性转变在陶瓷和冶金中得到了广泛的研究，但在这项研究之前还没有在储能材料中使用。

“4D-STEM方法对于绘制材料内部无法接近的结晶度和畴方向变化至关重要，”Zuo说。

该团队将其4D-STEM观测结果与机械科学和工程教授Elif Ertekin领导的计算建模进行了比较，以发现这些变化。

“结合的数据挖掘和4D-STEM数据显示了随着应变纳米级结构域的发展，电池内部的成核，生长和聚结过程的模式，”钱陈说。“这些模式使用材料科学与工程教授和研究合著者Daniel Shoemaker收集的X射线衍射数据进一步验证。

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“这项研究的影响可以超越这里研究的多价离子电池系统，”材料科学与工程教授，材料研究实验室主任和该研究的共同作者Paul Braun说。“概念，原理和支持表征框架适用于各种锂离子电池和后锂离子电池以及其他电化学系统（包括燃料电池，突触晶体管和电致变色）中的电极。

伊利诺伊州化学研究人员安德鲁·格沃斯;杨红，化学与生物分子工程专业;壳牌研究员瑞安·斯蒂芬斯（Ryan Stephens）也参与了这项研究。

更多信息：陈文祥等，纳米取向相域在电化学晶体电极中的形成及影响，《自然材料》（2022）.DOI： 10.1038/s41563-022-01381-4

期刊信息：自然材料