电池电极中单颗粒离子动力学与相变的原位光学追踪

推进锂离子电池技术，尤其是快充能力的关键，在于我们能够在真实条件下、实时且于纳米到介观尺度上追踪并理解工作材料中的动态过程。目前，锂离子动力学的原位成像需要复杂的同步辐射 X 射线或电子显微技术，不利于高通量材料筛选。这限制了快速且合理的材料改进。在此，我们引入一种简单的实验室级光学干涉散射显微镜，以分辨电池材料中的纳米级锂离子动力学，并将其应用于追踪典型正极材料 Li$_\textit{x}$CoO$_2$ 的反复循环。该方法使我们能直接可视化该材料中的绝缘体-金属、固溶体和锂有序化相变。我们在单颗粒水平上确定了锂嵌入和脱出的速率，并识别出充电与放电时发生的不同机制。最后，我们捕获了在约 Li$_{0.5}$CoO$_2$ 处与单斜晶格畸变相关的不同晶体取向间畴边界的动态形成。我们方法的高通量特性允许对整个电极上的众多颗粒进行采样，并且今后将能够探索位错、形貌和循环速率对电池退化的作用。我们成像概念的普适性意味着它可应用于研究任何电池电极，更广泛地，可应用于离子输运伴随电子或结构变化的体系，包括纳米离子薄膜、离子导电聚合物、光催化材料和忆阻器。