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Nanoscale-resolved STXM Reveals Shell π-type Superexchange for Enhancing High-voltage Stability in Surface Al-doped LMR Cathodes, ACS Applied Materials & Interfaces,18,8039-8048(2026)
奈米解析掃描穿透X光顯微術(STXM)，發現表面π型超交換機制存在鋁摻雜富鋰錳正極材料，有助於提升高電壓穩定性
Hsiao-Tsu Wang*, Raneen Taha, Yi-Hong Chang, Chi-Feng Lee, Vamakshi Yadav, Zhongyi Liu, Hung-Wei Shiu, Wan-Ting Chen, Yu-Cheng Shao, Jigang Zhou*, Christopher Rohen, Alan Taub, Gregory B. Less, and Way-Faung Pong
2026/05/21
富鋰錳基層狀氧化物（Lithium- and manganese-rich layered oxides, LMR）因具備高容量與高能量密度，被視為下一代高能量密度鋰離子電池的重要正極材料。然而，此材料在高電壓充放電下容易產生氧氣不可逆釋放、表面結構退化以及電壓衰退等問題，長期限制其實際應用。本研究利用TPS 27A1掃描式穿透X光顯微術（Scanning Transmission X-ray Microscopy, STXM）實驗站，首次於奈米尺度下直接觀察富鋰錳材料在高電壓下的局域電子結構與氧化還原行為之關係。
研究發現，經由表面鋁（Al）修飾後，可在正極材料之表層區域形成特殊的π型電子超交換（π-type superexchange）機制，穩定Ni與O之間的混成軌域，進一步抑制高電壓下氧氣釋放與不可逆氧化反應。相較於傳統量測技術只能得到材料整體平均訊號，TPS 27A1 STXM具備奈米空間解析與X光光譜分析能力，可直接區分材料外層與內層區域的電子結構差異，成功發現過去難以觀察的局域電子重組現象。
本研究中所有關鍵STXM結果與重要結論皆於TPS 27A1完成，展現先進光源技術在能源材料研究中的重要性。此成果不僅加深對富鋰錳正極材料高電壓穩定機制的理解，也為未來高能量密度鋰電池材料的設計提供新的方向與重要科學依據。