TOF-SIMS 电镜质谱联用技术助力Li离子电池新型阳极材料研究 !丨Small 期刊文章

日前，上海交通大学材料科学与工程学院 · 金属基复合材料国家重点实验室刘河洲教授及其团队田然等人在新型具有高放电效率的锂离子电池复合阳极材料研究方面取得重要成果！在这项工作中，刘河洲团队首次发现了一种Li的新的亚稳态形式—Li团簇。经实验研究，这种能够生长出微小Li团簇的碳纤维布(CC)/Li簇复合阳极材料具有出色的电化学可逆性和高放电效率，在实际应用中具有广阔的前景。

该项研究的相关成果已发表在材料领域的综合性权威期刊Small（2018年，IF=9.598），论文题目为High-Coulombic-Efficiency Carbon/Li Clusters Composite Anode without Precycling or Prelithiation。其中，动态的微观形态学表征使用TESCAN MIRA3场发射扫描电子显微镜完成，关键工作如锂元素不同沉积形式（如Li团簇和Li枝晶）的分布及Li⁺ 和Li元素之间的转变活性表征，则采用了TESCAN FIB-SEM与飞行时间二次离子质谱联用分析技术。

图：研究成果发表在材料综合性权威期刊 Small (2018年)

近年来，新能源汽车和消费电子市场的迅速增长，带动了电池产业的快速发展，高能量密度电池成为电池发展的主旋律。元素Li由于重量轻、电化学势能低且具有高理论能量密度，而被认为是锂电池的理想阳极材料。但使用Li作为电池阳极材料，仍然存在一些不可避免的问题，如不可控的Li沉积、体积膨胀、Li晶枝的生成等等，严重影响电池效率和安全性。

为了改善Li金属阳极的性质，刘河洲研究团队在这方面做了大量研究和尝试，例如采用在合适的衬底上生长锂的方案。基于此，研究团队首次发现了一种Li的新的亚稳态形式—Li团簇，这种团簇形成在电池过锂化过程中，从生长出Li_xC₆之后到形成Li枝晶之前。并且，这种微小的Li团簇表现出很高的Li+和Li元素之间的转变活性。

图：刘河洲团队首次发现了一种Li的新的亚稳态形式—Li团簇

研究团队使用了裸碳纤维布(CC)作为阳极，过量的LiCoO₂作为阴极来组装电池，在碳纤维上观察到了这种Li团簇。并且，使用新型CC / Li团簇复合材料作为阳极的电池，性能相比常用的电极提升了57.2％，且没有观察到容量波动，放电效率与石墨阳极一样好。

图：研究团队使用TESCAN场发射扫描电镜进行动态的电极充放电循环的微观形貌表征

通过制备CC/Li簇复合阳极来获得可逆且具有电化学活性的Li团簇，研究团队得到了具有显著能量密度和高放电效率的研究结果。此外，CC/Li簇复合阳极无需预循环或预锂化，可直接组装成电池，消除了繁琐昂贵的电池预循环和预锂化过程。这种有效且简便的方法极大地简化了工艺，为下一代高能量密度锂电池的高容量阳极设计提供了一种新方法。

图：研究团队采用FIB-SEM-Tof-sims联用分析技术进行Li元素的面分布分析及Li簇和Li枝晶的分布分析，并验证了不同形式锂沉积电化学性能的不同

刘河洲教授团队在关于锂离子电池正极材料的实用化方面做了大量研究，除了这项工作，研究团队还进行了3D Al₂O₃材料抑制锂离子电池中锂沉积及锂枝晶形成机理的研究，相关成果已发表在CHEMSUSCHEM期刊（2018年，IF=7.411），该研究同样使用了TESCAN FIB-SEM-Tof-sims联用分析技术。

目前，TESCAN FIB-SEM-Tof-sims新型联用分析技术已成为锂离子电池材料研究的利器，在国际上，已经有多个课题组采用该项分析技术进行了相关研究，并在多种期刊发表了高水平文章。

在上述工作中，刘河洲教授团队使用的是安装在上海交通大学分析测试中心的TESCAN MIRA高分辨场发射扫描电子显微镜及TESCAN 双束电镜与飞行时间二次离子质谱联用系统。

上海交通大学分析测试中心是一个面向校内外开放的校级测试平台，目前已配置多台TESCAN电镜及FIB系统，包括一台VEGA3 W-SEM，一台MIRA3 FE-SEM，一台配置拉曼的超高分辨MAIA3 FE-SEM-Raman系统和一台配置有飞行时间-二次离子质谱的超高分辨GAIA3 FIB-SEM-Tof-sims系统。

图：上交大分测中心TESCAN FIB-SEM—Tof-sims联用分析系统