【摘要】 本文基于球差校正电子显微镜（R005）的环形亮场成像（ABF）技术，首次在原子分辨率下观测到尖晶石结构LiV2O4晶体中的锂原子柱分布，揭示了锂离子电池正极材料中锂扩散通道的微观机制。结合高角度环形暗场成像（HAADF）对比分析，为轻元素（如锂）的原子级表征提供新方法，对优化锂电材料循环性能具有重要意义。

1. 球差校正电子显微镜技术原理

球差校正电子显微镜（R005）通过消除透镜像差，将空间分辨率提升至皮米量级。实验采用环形亮场成像（ABF）模式，利用大角度入射电子束（30mrad会聚角）收集20-30mrad散射电子，显著增强轻元素（锂、氧）的成像对比度（图2a-c）。相较传统HAADF成像（依赖原子序数Z对比），ABF技术成功解析了LiV2O4中锂、钒、氧原子柱的分布（图1），为轻元素材料表征提供突破性解决方案。

LiV2O4尖晶石晶体沿方向原子排布，紫色/浅紫色为钒柱，红色为氧柱，绿色为锂柱。

图1（LiV2O4原子结构示意图）

 

2. LiV2O4晶体结构与锂原子分布

LiV2O4属尖晶石结构，其三维隧道为锂离子扩散提供通道。从方向观测（图1）：

  • 钒原子柱：位于Va（紫色）和Vβ位（浅紫色），每单位晶胞含2个（Va）和1个（Vβ）钒原子。
  • 锂原子柱（绿色）：沿菱形单元对角线分布，间距0.103nm，与氧原子柱（红色）形成交替排列。
  • 实验验证：ABF图像中锂柱呈弱对比暗点（图2c），模拟证实其为锂原子真实位置，强度比（钒:氧:锂=4:2:1）与理论一致。

 

球差校正电子显微镜ABF图像（a-c）与HAADF图像（b）对比，清晰显示锂原子柱（暗点）。

图2（ABF与HAADF成像对比）

 

3. ABF与HAADF成像对比分析

  • HAADF局限性：依赖Z对比度，难以直接观测轻元素（如锂）。需通过掺杂（如LiFePO4中15%锂被铁替代）间接推断锂位点。
  • ABF优势：通过相位对比增强轻元素信号，直接显示锂原子柱（图2c），为锂电材料、钙钛矿等轻元素体系提供原子级表征手段。

 

研究意义与产业应用

1.锂离子电池性能优化：通过原子级锂分布检测，揭示尖晶石材料中锂扩散动力学，指导高稳定性正极材料设计。

2.轻元素表征技术革新：ABF成像可拓展至钠离子电池、固态电解质等新能源材料研究，推动绿色能源技术发展。

3.标准化检测方法：结合ISO/ASTM标准，为材料性能评估提供高精度实验依据。

 

参考文献

Yoshifumi Oshima等, "Direct imaging of lithium atoms in LiV2O4 by spherical aberration-corrected electron microscopy", Journal of Electron Microscopy, 2010.

 

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