AEM：使用4D STEM可视化轻元素：LiNiO2正极材料中层状向岩盐相的转变

兔兔

2020-05-26

层状氧化物LiNiO₂（LNO）作为锂离子电池的正极活性材料已被广泛研究。尽管LNO的质量比容量很高，但不稳定性问题阻碍了它的商业化。它在电化学循环期间遭受严重的容量损失，并且难以合成没有缺陷的LNO。这与其较差的结构稳定性有关，导致分解成岩盐型氧化物。为了了解这种相变并制定抑制相变的措施，开发能够对所有原子成像的技术至关重要。有鉴于此，马尔堡大学Kerstin Volz与卡尔斯鲁厄理工学院Jürgen Janek等人探索了在扫描透射电子显微镜中使用快速像素化检测器和4D成像来解决这一难题。

本文要点：

1）使用HAADF、ABF和eABF成像技术研究了LNO的几种TEM样品厚度。ABF对较小样品厚度的锂原子和氧原子具有良好的敏感性。在衍射图样中选择特定的角度区域并计算虚拟环形亮场图像会大大增强锂原子的对比度，从而即使在实际样品中也可以看到所有原子。实验首次证明了通过eABF成像可以显著提高光电子元件的对比度，特别是对于较大的样品厚度。

2）研究人员还表明，从相同区域的HAADF、ABF和eABF图像中，可以获得对相变区域的具体见解。对层状–盐岩相变区的分析表明，结构之间不存在明显的界面，相反，这种转变似乎是逐渐发生的。在过渡区域中，没有发现具有尖晶石对称性的局部结构迹象。

3）另一方面，还观察到在四面体位点上存在镍离子，并且其从表面向内扩散。氧似乎不对称地向表面移动，从而局部地扭曲了镍八面体环境。这一发现可能有助于通过改进掺杂策略，从而对具有改善的结构稳定性的新材料进行工程设计。此外，该研究结果可以作为进一步研究LNO基材料近表面稳定性的指南。

Shamail Ahmed, et al. Visualization of Light Elements using 4D STEM: The Layered-to-Rock Salt Phase Transition in LiNiO₂ Cathode Material. Adv. Energy Mater. 2020, 2001026.

DOI: 10.1002/aenm.202001026.

https://doi.org/10.1002/aenm.202001026