[发明专利]一种利用电子全息探究界面电势对锂离子输运影响的方法

说明书

本发明提供有一种利用电子全息技术探究界面电势对锂离子输运影响的方法，锂离子在固体电极内的微观输运过程是决定锂离子电池宏观电化学行为的直接因素，目前常用的中子衍射、核磁共振等方法受限于分辨率的影响，仅能提供材料的平均结构信息，本发明方法将分辨率提高至原子水平，利用物镜球差校正透射电子显微镜与电子全息技术相结合，对锂离子电池正极材料多晶晶界的电势分布进行准确测量，依次经历电子全息图获取、数字重构提取分离的相位图与振幅图、进一步数据处理得到相移与电势分布相关的图像几个步骤，从而得到界面电势差和势垒分布的统计结果，进一步揭示锂离子传输机制的动力学问题，对锂离子电池结构‑性能关系的构筑有重要的研究意义。

技术领域

本发明涉及锂离子电池多晶正极材料界面电势的微观表征领域，具体公开一种利用电子全息探究界面电势对锂离子输运影响的方法。

背景技术

锂离子在固体电极内的微观输运过程是决定锂离子电池宏观电化学行为的直接因素。目前关于锂离子输运的表征方法主要有中子衍射(XD)、核磁共振(NMR)、二次离子质谱(SIMS)以及恒电流间歇滴定技术(GITT)等，尽管这些方法在Li+扩散系数测定、Li+占位情况以及Li+浓度变化监测方面发挥了重要作用，但它们对材料的微观局域结构并不敏感，只能给出平均的结构信息。而材料的性能往往会因微观结构的不同呈现出显著的差异。因此实现各类参数在微观层面上的空间、时间和能量的高分辨测量就显得十分重要。

透射电子显微镜具有原子尺度的空间分辨能力，可以获取原子尺度上的局域结构变化，在锂离子电池的应用中扮演着重要的角色。其中，电子全息技术是透射电子显微学中的一种比较特殊的研究手段，其最重要的应用就是能够直观地给出穿过样品的入射电子波的相位变化。电子波在穿过样品的过程中往往会受到材料的内键电场和洛伦兹力的调制作用，因此相移可以反映材料的内势场和磁场信息。除了可以揭示电磁场信息之外，由于零损耗能量滤波、线性波捕获和全息重建过程中相干像差的校正，电子全息在原子分辨率级别的定量分析方面也具有显著优势。如今已经广泛应用于样品厚度测量、平均内电势测定、以及界面处空间电荷层和电位分布的观测等，并在基于纳米离子学构建的高导电界面的固态电池领域表现出了重要的应用前景，但在如何建立起界面电势分布与锂离子输运性能的联系方面仍缺乏详细的方法阐释。基于此，发明一种利用电子全息技术探究界面电势对锂离子输运影响的方法。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请旨在提供一种利用电子全息探究界面电势对锂离子输运影响的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、利用聚焦离子束-电子束双束设备(FIB)制备锂离子电池多晶正极TEM试样；选择样品区域：在电子束2kV，0.1nA条件下寻找感兴趣的样品区域，并调节样品高度至共聚焦高度；沉积Pt层：将Pt针预热后伸入，先在电子束2kV，0.4nA-0.8nA条件下沉积200-300nmPt保护层，随后打开Ga离子源，在束流30kV，72pA-0.23nA条件下继续沉积1-2μmPt保护层；精修并用机械手提取薄片样品：撤掉Pt针，离子束在束流30kV，6.5nA条件下用两个常规截面矩形框，依次将需要加工的TEM薄片两侧掏空，矩形框的方向终止于Pt保护层的边缘，在30kV，2.5nA条件下对TEM薄片两侧进行精修，在离子束30kV，2.5nA条件下将薄片样品的底部和侧面切断，用机械手提取；减薄并去除Pt层：将样品放置在载网上，电子束在2kV，0.1nA共聚焦到52°，离子束在30kV，80pA-0.23nA条件下倾转样品台51°-53°，双侧减薄样品至100nm以下，最后用5kV，15-41pA的束流将Pt层全部去除；

步骤二、将步骤一的多晶TEM试样置于物镜球差校正透射电镜中进行观察，并拍摄电子全息图；

步骤三、将步骤二的电子全息图进行数字重构，得到分离的相位衬度像和振幅衬度像；

步骤四、将步骤三的相位衬度像和振幅衬度像进行数据处理，得到电势分布图，测量多晶界面电势，从而获取电势差、势垒大小和势垒宽度信息。