中子与离子束深度剖析技术揭示LiCoO2 /C60 复合阴极的锂分布机制及其对全固态电池性能的影响

本研究针对全固态锂离子电池（ASSLIBs）中LiCoO2 （LCO）与C60 复合阴极的锂分布不均问题，通过中子深度剖析（NDP）和卢瑟福背散射（RBS）技术，揭示了C60 相和金属集流体对元素分布的调控作用，为高能量密度电池设计提供了关键理论依据。

　　

论文解读

研究背景

随着现代社会对高能量密度储能器件的需求激增，锂离子电池（LIBs）因其成熟的商业化应用仍占据主导地位。然而，传统LIBs面临电解液分解、钴溶解及高电压下结构相变等问题，导致容量衰减。LiCoO₂
（LCO）作为经典阴极材料，其理论容量（273 mAh/g）受限于实际工况下的结构稳定性。近年来，全固态锂离子电池（ASSLIBs）因其高安全性成为研究热点，但电极材料的元素分布不均问题制约其性能。

为解决上述问题，捷克科学院核物理研究所（NPI CANAM）的G. Ceccio和J. Vacik团队提出将富勒烯（C₆₀
）与LCO复合，利用C₆₀
的导电增强和热稳定特性优化电极性能。此前研究发现，金（Au）集流体会显著影响锂分布，但铝（Al）集流体的作用尚不明确。本研究通过核分析技术，首次揭示了Al集流体对LCO/C₆₀
复合阴极中锂分布的调控机制。

关键技术方法

研究采用离子束溅射沉积LCO与热蒸发C₆₀
的共沉积法制备薄膜，利用中子深度剖析（NDP）和卢瑟福背散射（RBS）分析元素深度分布。NDP通过⁶
Li(n,α)t反应测定锂分布，RBS则解析Co、C、O等元素的分布。实验在NPI CANAM设施完成，样本包括Si基底和玻璃载玻片上的薄膜。

研究结果

1. 材料与方法
共沉积的LCO/C₆₀
薄膜厚度为亚微米级，NDP和RBS数据显示锂在表面富集，而钴、碳、氧分布不均。Al集流体的引入导致表面锂浓度显著降低，表明电化学势差（E⁰
_Al/Li
= +1.38 V）驱动锂迁移。

2. 结果
NDP谱图显示，无Al覆盖时锂分布呈现表面峰和次表面缓降；RBS模拟证实Co与C₆₀
相分离。Al集流体使表面锂减少约30%，且钴分布与锂呈负相关，暗示两者迁移的耦合效应。

3. 结论

• LCO/C₆₀
  复合阴极中元素分布受电化学势和相分离共同调控；
• Al集流体（相较于Au）可缓解锂表面富集，但可能牺牲界面导电性；
• NDP与RBS联用为ASSLIBs电极优化提供了非破坏性分析范式。

意义与展望

该研究首次量化了Al集流体对LCO/C₆₀
阴极锂分布的影响，为ASSLIBs集流体材料选择提供了实验依据。未来需进一步探究不同金属集流体与电极材料的界面反应动力学，以平衡元素分布与电化学性能。论文发表于《Applied Radiation and Isotopes》，展示了核分析技术在能源材料研究中的独特价值。