【研究背景】
固态锂电池因其安全性、可靠性和高能量密度而有望成为下一代储能系统。然而，硫化物固态电池存在固态电解质不稳定的问题，尤其在潮湿环境下容易分解释放硫化氢。尽管氧化物基固体电解质的离子电导率已取得一定进展，但仍面临内阻高的挑战。为了克服这些问题，了解晶界电阻的来源并找到解决方法至关重要。目前，通过阻抗光谱、脉冲场梯度核磁共振光谱和核磁共振光谱等技术进行离子动力学分析。此外，采用电子显微镜观察固态锂电池界面，并通过电子能量损失光谱分析LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极材料晶界处Li 离子的化学扩散。电化学应变显微镜可用于可视化固体电解质块体和晶界电导率。
图1 固态电池中的多尺度离子动力学及其测量技术。
【内容简介】
基于二次离子质谱(SIMS)的示踪扩散分析是一种用于定量分析固体电解质和活性材料中离子扩散的有效工具。SIMS 不仅能够测量从纳米到毫米尺度的大范围离子扩散，而且由于在低温能够抑制样品损伤，SIMS可用于分析快离子导体。本研究运用 SIMS 对钙钛矿型固体电解质进行了分析。以Li0.29La0.57TiO3(LLTO)为模型材料(27 °C 时离子电导率为10-3 S cm-1)，采用高分辨率 SIMS 技术建立了多晶固体电解质同位素分布成像的法，并成功定量评估了块体和晶界的示踪剂扩散系数。研究还量化了晶界扩散系数，揭示晶界在总电导率中起到了限速因素的作用。
【结果和讨论】
图2 (a) 6Li 同位素交换 59 小时后和 (b) 在 22 °C 的氩气环境中储存 16 天后 LLTO 6Li部分的成像。(c) LLTO 在与 SIMS 相同位置的激光显微镜图像。在 SIMS 成像后进行了热蚀刻以观察晶界。(d) SIMS 图像中黑线和红线的 6Li 同位素分布图。黑色和红色开口圆圈分别代表 59 小时和 16 天同位素交换后的样品剖面。(e) 晶界处 6Li 分数 ∂C/∂y 和浓度差 ΔCgb 的梯度。
图2a展示了通过低温-SIMS进行6Li同位素成像的结果。由于6Li同位素的扩散， 6Li相对分数C(=6Li/(6Li 7Li))从LLTO的底部到顶部发生了变化。根据SIMS得出的C如下：
