近日，上海交通大学溥渊未来技术学院教师谢宇俊和劳伦斯伯克利国家实验室王旌阳作为共同第一作者，在国际顶级期刊Science Advances上发表题为Spatially resolved structural order in low-temperature liquid electrolyte的科研论文。研究团队开发了一种综合实验方法，将液相透射电子显微镜（TEM），低温TEM，四维扫描TEM（4D-STEM）和基于深度学习的数据分析等技术相结合，解析出了碳酸二乙酯有机电解质的结构有序度。其中低温液相分离的现象也揭示了电解液的高盐浓度区域存在短程有序(SRO)富有区域。劳伦斯伯克利国家实验室的Colin Ophus, Peter Ercius, 郑海梅教授作为通讯作者。
了解材料在不同尺度下的结构顺序对于控制其物理性质至关重要。在小于5 Å的SRO范围内，人们发现许多非晶态固体存在原子相关性。越来越多的实验证实了SRO的存在并揭示了其对导电、离子输运、机械强度和结晶过程的重要影响。然而，尽管在固体中通过使用TEM实现了SRO的直接成像、在液体中通过使用x射线观察到了结构顺序，但由于液体对电子束的高灵敏度和构成液体的低原子序数元素的弱散射，在类似空间尺度下尚未实现在液体中的SRO观察。
图1 1M LiPF6在碳酸乙烯:碳酸二乙酯1:1中的混合方法和高角度环形暗场STEM图像示意图。© 2023 The Author(s)
锂离子电池中的液体电解质是一类重要的材料，其宏观性质与其组分(盐离子和溶剂分子)的结构密切相关。例如，在高盐浓度的电解质中，盐的阳离子和阴离子倾向于高度结合并形成超结构，如聚合体，从而提高界面稳定性和库仑效率;这种超结构也导致离子电导率降低，粘度增加，类似于锂离子电池在0℃以下的低温性能。这些发现再次强调了在分子水平上理解结构顺序及其在介观尺度上的空间范围的必要性。此外，结构有序的形成条件对于在各种工作条件下合理设计功能电解质至关重要。以高空间分辨率表征液体电解质底层结构的能力对于提高未来电池性能至关重要。
本研究开发的前沿电子显微镜技术，不仅能对高浓度电解质实现分相观察，而且能适用于确定一系列宏观性能参数，如离子电导率、离子输运模式、粘度和微观结构的本征关系。控制相分离这一设计原则将很可能改善电化学性能，包括相间稳定性。此外，使用液相4D-STEM技术和机器学习数据分析的方法可以实现液体相变的多尺度结构表征，结合分子尺度模拟计算可在微观层面上探究固液界面的奥秘。
图2 4D-STEM数据集的深度学习分析。© 2023 The Author(s)
图3 -30°C下，1M LiPF6在1:1 EC:DEC电解质中的STEM-EELS。© 2023 The Author(s)
图4 MD模拟的结构分析。© 2023 The Author(s)
原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc9721
谢宇俊博士，上海交通大学溥渊未来技术学院长聘教轨助理教授，博士生导师，国家高层次引进人才。本科毕业于德雷塞尔大学，博士毕业于耶鲁大学。加入溥渊前在美国加州大学伯克利分校核工程系和劳伦斯伯克利国家电镜中心从事博士后研究。近年来以第一作者或者通讯作者在Nature Communication, Science Advances, Advanced Materials, Physical Review Letter 等国际著名期刊上发表多篇论文，曾获得美国材料研究协会研究生金奖、国家自费留学生奖和国际粉末衍射数据中心Ludo Frevel晶体学等奖。主要研究方向为先进透射电子显微镜技术，聚变反应堆结构材料的失效机理，全固态电池失效分析和极端制造机制和技术。
