右边的立方体显示了富锂和富锰过渡金属氧化物的结构；左边的模型表示三个不同方向的结构，对应于立方体的STEM图像。

图片来源：劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）

采用互补的显微技术和光谱技术，劳伦斯·伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory，Berkeley Lab）的研究人员认为他们已经解决了富锂和富锰过渡金属氧化物的结构，这种氧化物是有望改变游戏规则的电池材料。

到目前为止，在材料结构方面，科学家分成了三个阵营，但AlpeshKhushalchand Shukla和Colin Ophus率领的团队经过近四年的研究认为最不流行的理论才是正确的。他们最新的研究成果发表于《自然·通讯》（Nature Communication）期刊上。其他作者包括Berkeley Lab科学家Guoying Chen和Hugues Duncan、英国DaresburySuperSTEM的Quentin Ramasse和Fredrik Hage。

这种材料由于结构中含有额外的锂，有可能将目前最常用的锂离子电池容量提高一倍，因此显得尤为重要。“然而，它并非没有问题，比如电压下降、容量衰减、DC电阻上升。这是非常重要的，我们弄清楚了这种材料的体相和表面结构。除非我们知道问题所在，要不然我们没法解决问题。” Shukla如是说。

容量明显增加的电池不仅会震撼手机和笔记本电脑市场，还将改变电动汽车（EVs）市场。“目前笔记本电脑和EVs当中锂离子电池的问题是已经几乎达到极限了。如果我们想要获得双倍的容量，就需要新的化学物质。”Ophus如此说。

研究人员采用伯克利实验室分子铸造（Berkeley Lab's Molecular Foundry）国家电子显微镜中心（National Center for Electron Microscopy (NCEM)）和SuperSTEM的先进显微镜技术，能够获得材料的原子级分辨率图像。由于先前的研究受限于结构的不明确，研究人员从不同方向（或者说不同轴向）来观察材料，尽可能的减小这种不明确。“电子显微镜数据的误差可能是因为不相关的二维投影无法提供解决结构所需的三维信息。所以，需要从尽可能多的角度来观察样品。”Shukla这样说到。

科学家们一直对材料结构是单一的三方相、双相或有缺陷的单斜相存在争议：材料的“相”指的是原子彼此间的排列。分子铸造（Molecular Foundry）项目科学家Ophus解释说，研究人员得出不同的结论很容易：“双相和单相模型是密切相关的。这不像在比较苹果和橘子——更像是在比较橘子和柚子。很难说出两者之间的区别。”

除了沿多个轴向、以原子级分辨率观察材料之外，研究人员还做出了另一个重要决定：观察全部粒子，而不是仅观察其中的一部分。“在非常高的视场下成像也是解决结构问题的关键。如果仅观察其中的一小部分，还不能说全部颗粒都具有这样的结构。”Shukla如是说。

Shukla和Ophus把证据放在一起，十分确信这种材料确实是有缺陷的单相。“我们的论文为缺陷单斜模型和规则的两相模型提供了强有力的支持，至少在我们研究中所使用的成分范围内是这样的。”Ophus这样说到。Ophus的专长是结合计算方法和实验结果分析结构。SuperSTEM主任Ramasse补充说：“我们需要知道原子级的排列顺序来理解新兴材料的宏观性质，SuperSTEM或NCEM这样的国家设施中先进的电子显微镜对于充分了解它们的性质是必不可少的。”

除了解决体相材料的结构问题之外（该问题已由其他研究团队所解决），该研究团队还解决了其表面结构。这不同于体相结构，在选择性的晶面上只含有数层原子。“锂的嵌入始于原棉，因此解释这种初始材料的表面也是非常重要的。”Shukla这样说。

采用STEM（扫描隧道电子显微镜）来对体相进行成像，而要解决表面结构问题还必须采用其他的额外技术，包括EELS（电子能量损失谱）和XEDS（X射线能量散射谱）。“我们的结果首次表明了表面结构在多厚的地方发生、与体相的关系如何、特别是表面相是否存在。”Ophus说。

该研究的一个重要组成部分是样品的数量和质量。实验室样品主要由Chen实验室专攻锂离子电池的化学博士后Duncan制备。Duncan采用熔盐法制备高品质、无杂质的离散型原始颗粒，是基础表征的理想之选。另外，研究人员还采用保守方式决定从两家不同的公司采购和分析两种商用样品。

Shukla说：“我们在一年之前就已经完成了论文，但因为存在太多的争议，我们想确保没有留下任何疏漏。”虽然Shukla完成这项研究时是伯克利实验室储能和分布式资源分部（Berkeley Lab's Energy Storage and Distributed Resources Division）的一名科学家，但现在他已经是Envia Systems公司的一名顾问科学家，同时还与伯克利实验室有联系，是分子铸造（Molecular Foundry）的一名用户。

最后，完成这项研究花了将近四年时间。Ophus因其完整性，将其称为“显微镜的精心之作”。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮