富镍层状氧化物电池正极材料会发生表面晶格重构，从而具有优异的高压循环性能。然而，由于固有的结构复杂性和缺乏在互补长度尺度上进行彻底研究的综合表征工具，表面化学和体微结构之间的相互作用在很大程度上仍未得到进一步探索。

近日，美国SLAC国家加速器实验室 Yijin Liu，Jun-Sik Lee，大连理工大学邱介山教授，美国普渡大学赵克杰教授报道了在利用软X射线和硬X射线两种情况下，使用多个具有纳米空间分辨率的X射线探针，系统地研究了单个LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC811）次级粒子的带电状态。

文章要点

1）利用全场透射硬X射线显微术（TXM）重建了标称空间分辨率为~30 nm的颗粒的三维（3D）微结构。采用扫描软X射线纳米探针绘制了同一粒子的表面Ni价态图，探测深度为~5 nm，横向空间分辨率为~30 nm。这两个测量都与同步加速器源的能量可调谐性相结合，通过提取局部光谱数据，揭示了局部化学有价值的信息。

2）该结果提供了单个NMC811次级粒子结构和化学复杂性的直接可视化。表面晶格重构的程度（从层状结构到尖晶石和岩盐结构的混合体）在颗粒表面上似乎是不均匀的，更有趣的是，与相应区域的整体孔隙率相关。

3）有限元模拟（FEM）进一步揭示了表面化学和体微结构之间相互调制的机理。这种表面到本体的关联突出了颗粒力学稳定性的重要性，因为颗粒内形态缺陷（微裂纹）的形成不仅调节了内部电荷和应变分布，而且还与局部表面化学相互作用。

该研究工作首次揭示了裂纹缓解和表面改性对于下一代电池正极材料设计中的关键作用。

Li, S., Jiang, Z., Han, J. et al. Mutual modulation between surface chemistry and bulk microstructure within secondary particles of nickel-rich layered oxides. Nat Commun 11, 4433 (2020)

DOI：10.1038/s41467-020-18278-y

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18278-y