盖世汽车讯 现代能源技术对于满足全球日益增长的电力需求至关重要，而这种需求的增长是由快速的工业化和全球向可再生能源转型所驱动的。在这些技术中，可充电锂离子电池（LIBs）发挥着关键作用，为从便携式电子产品到电动汽车等各种设备提供动力。

为了提高其性能和能量密度，研究人员越来越依赖于高压正极材料（>4.2 V vs. Li/Li+），这类材料可以在每次充电循环中提供更多能量。然而，在如此高的电压下运行也带来了挑战：钴酸锂（LiCoO₂，LCO）正极材料经常会发生结构退化，并形成阻碍锂离子传输的不良相。因此，了解正极-电解质界面处的这些相变对于开发更长寿命、更高性能的锂离子电池至关重要。

图片来源： JAIST

据外媒报道，为了应对这一挑战，日本先进科学技术研究所（JAIST）的Yoshifumi Oshima教授与JAIST的高级讲师Kohei Aso、日本国立材料科学研究所的akuya Masuda博士以及东京理科大学的Masaaki Hirayama教授共同开发出一种名为倒谱匹配分析（CMA）的新型电子显微镜技术。

正如Oshima教授解释的那样，“这种方法能够在将样品损伤降至最低的同时，以约1纳米的空间分辨率可视化纳米级结构，这是传统成像技术无法实现的。”

当应用于高压循环后的LCO正极材料时，CMA技术揭示，虽然其主体结构基本保持层状，但在电解质界面顶部约3 nm的范围内出现了尖晶石型和岩盐型相——这些结构已知会导致材料性能退化。该研究于2025年10月21日发表在《纳米快报（Nano Letters）》期刊上。

研究人员将扫描纳米束电子衍射（SNED）与CMA技术相结合，在超低电子剂量（约3 × 10³ e⁻ nm⁻²）下从衍射数据中获取结构信息，该剂量比传统方法低近两个数量级。这种方法在保持高空间分辨率（约1 nm）的同时，降低了电子束引起的损伤。

研究人员选取具有均匀晶体取向和极少机械缺陷的外延LCO薄膜，并收集其衍射图谱。将这些衍射图谱转换为倒谱，并与层状、尖晶石和岩盐相的模拟参考图谱进行比较。该方法最大限度地减少了样品倾斜、厚度变化和弯曲造成的伪影，从而能够对纳米尺度转变进行精确且低损伤的映射。

CMA在薄膜中识别出不同的LCO畴。靠近电解质界面的顶部1-3 nm区域发生了相变——阴极表面约1-2 nm的区域转变为岩盐型相，某些晶面上出现了类似尖晶石的对比。尽管体相结构仍保持层状，但这些界面转变阻碍了锂离子传输，并导致了容量衰减。

SNED-CMA方法展现出多项关键优势。其低电子剂量有效保护了脆弱的电池材料。倒谱变换进一步校正了样品倾斜和厚度的影响，提高了测量精度和重复性。

除了这些直接发现之外，Oshima教授还强调了该方法的更广泛应用潜力：“这项技术可以评估抑制界面结构变化的保护涂层和元素掺杂策略。它也适用于下一代正极材料，例如镍锰钴层状氧化物、富锂层状氧化物和全固态电池，在这些材料中，纳米尺度的转变对性能有着至关重要的影响。”

这项研究标志着在低损伤、高分辨率成像技术在能源材料界面相变研究领域取得了重大进展。所获得的见解可指导设计具有更长寿命和更高能量密度的锂离子电池，从而支持诸如续航时间更长的智能手机和续航里程更长的电动汽车等日常应用。

此外，该方法有望用于研究其他依赖于离子传导和结构稳定性的器件，包括气体传感器、原子开关和燃料电池——将纳米尺度材料科学与下一代能源技术连接起来。