來自伯克利國家實驗室的研究人員通過使用互補顯微鏡技術和光譜技術，解決了富鋰和富錳過渡金屬氧化物的結構問題。

研究人員將關于材料結構的理論分成三類，由Alpesh Khushalchand Shukl和Colin Ophus帶領的團隊經(jīng)過四年的研究發(fā)現(xiàn)，其中最不流行的一種理論其實是最正確的一種。該研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上。其他合作者包括Guoying Chen、Hugues Duncan、Quentin Ramasse 和Fredrik Hage。這種材料非常重要，因為和當前使用的鋰離子電池相比，這種電池的充電能力提高了一倍。當然，其也存在一些問題，例如電壓減退、直流電阻增加等。一個電量顯著增加的電池不僅可以撼動手機市場和電腦市場，同時也有可能改變當前電動汽車的格局。當前的鋰離子電池幾乎已經(jīng)走到了其理論極限的邊緣，如果我們想要有效增加其畜電能力，我們只能改變其化學材料。

通過使用伯克利分子鑄造實驗室國家電子顯微鏡中心（NCEM）的顯微鏡和英國達斯伯里的超級STEM，研究人員獲得了這種材料的原子級別的圖像。由于之前的研究關于結構部分都含混不清，因此該研究則集中于從不同方向觀察材料，以期能獲得更多結構細節(jié)?？茖W家根據(jù)材料結構分成了三個陣營：單三角相、兩相或缺陷單斜相。材料的相對應著原子排列的不同方式，Ophus解釋了研究人員獲得不同結論的方法：兩相和單項非常接近，這和比較蘋果和橘子不同，更像是從遠處分辨橘子和柚子，很難發(fā)現(xiàn)兩者之間的區(qū)別。

除了從原子層面觀察材料以外，研究人員也從整體上觀察粒子，而不僅僅是局部。通過將這些證據(jù)放到一起，Shukla 和 Ophus相當確信這種材料實際上是缺陷單斜相。“我們的研究結果非常偏向于缺陷單斜相。”Ophus說。Ramasse說，“我們需要知道原子層級上發(fā)生的變化，從而能夠理解材料的宏觀行為，因此這些先進的電子顯微鏡對于發(fā)現(xiàn)這些特點至關重要。”

除了解決了材料內部的結構問題，該研究小組也解決了材料的表面結構問題，即一些具有特定晶面的原子層。由于鋰離子的嵌入開始于表面，因此理解材料的表面結構至關重要。

除了使用STEM以外，該小組還采用了其他的技術來進行觀察，例如電子能量損失譜（EELS）和X射線能量色散譜（XEDS）。“我們首次介紹了其表面結構的形態(tài)、厚度、晶面取向和材料內部的關系，并且確定其晶面。”Ophus說。該研究的一個重要部分就是樣品的數(shù)量和質量。該實驗的樣品是由博士后研究人員Duncan準備的。“原本我們可以提前一年完成這篇研究，但是由于我們想盡最大可能避免不必要的爭議，因此研究周期延后了。”Shukla說。最后，這項研究差不多耗時4年，Ophus稱之為顯微鏡的杰作。

 新材料在線編譯整理——翻譯：楊超    校正：摩天