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实验 | 通过原位 EELS 观察氧活性对 NCA 电池电极的影响！
通过原位 EELS 观察氧活性对 NCA 电池电极的影响
通过将 DENSsolutions 的原位加热样品杆和 Gatan的成像过滤器联合使用，实现了原位EELS表征单个NCA 颗粒结构中的氧损失。
锂离子电池已经广泛使用在许多电子产品中，但大量研究正在致力于提高这类电池的容量。目前正在研究的一种有前途的正极材料是 LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 (NCA)。这种材料具有热不稳定性，尤其是在过度充电或过热时，会导致阴极颗粒表面的氧损失。反过来，这会产生新相，从而降低电池容量。可以使用透射电子显微镜 (TEM) 中的电子能量损失谱 (EELS) 局部监测单个 NCA 颗粒结构中的氧损失，以确定环境氧对结构氧损失的影响。
在像差校正环境 TEM (AC-ETEM) 中使用 DENSsolutions Wildfire 加热样品杆，从而可以在 O2、He 和 H2 气体环境中升高温度。TEM-EELS 是使用 Gatan Imaging Filter 进行的，以测量525 eV 附近的 O K-edge随温度和气体环境的变化，如图1所示。单个NCA 粒子由于温度和应用环境的改变产生氧损失，进而发生结构改变，并且根据 EELS 数据可确定每种环境中作为温度函数的氧气损失程度。氧预峰和主峰由向不同氧-金属杂化轨道的跃迁产生，因此预峰强度的变化和/或预峰和主峰之间的能量差可以与过渡金属离子的氧化态相关联。
图 1. 一系列显示氧损失的原位EELS光谱。随着真空和氢气中温度升高至100°C以上，527 eV 附近的氧预峰强度显着降低。He略微抑制了这一点，而氧气显着抑制了结构中的氧损失，因此需要更高的温度才能实现相同水平的氧损失。Karki, K., Huang, Y., Hwang, S.,Gamalski, A. D., Whittingham, M. S., Zhou, G., Stach, E. A., 2016. ACS Applied Materials & Intefaces 8, 27762–27771 doi:10.1021/acsami.6b09585.
在不同气体环境中高温下的原位 EELS 用于测量单个 NCA 颗粒的氧损失。TEM 图像（未显示）显示颗粒的结构已从原始层状结构变为尖晶石或岩盐相。来自 EELS 光谱的氧损失测量表明，保持颗粒周围的O2环境将氧损失的起始温度延迟到350°C。这说明了 NCA 降解的基本机制，并指出了提高未来正极材料性能的可能策略。
DENSsolutions原位加热样品杆，具有超高的温度稳定性和均一性这保证样品杆发生热膨胀的幅度很低，同时仅几毫瓦的加热功率也确保将热辐射降低到最低，这也是进行高温原位EELS所需的必要条件。
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