研究锂离子电池电极材料中的化学结构、尤其是锂元素的分布和过渡金属元素的价态分布对理解锂离子电池的电池性能具有重要的意义。然而锂元素因其质量轻,其成像分析比较困难,电子能量损失谱是一种有效的锂元素表征手段,但准确的谱图获取还存在诸多限制。主要原因在于样品厚度引起的复杂变化以及锂K边与过渡金属M₂₃边重叠问题。此外,电池材料中过渡金属元素的价态分布图的研究较少。本文以LiNi_0.5Mn_1.5O₄为例(锂K边位于锰M₂₃边和镍M₂₃边之间),利用双电子能量损失谱研究了获得厚度不均一材料锂元素分布图的不同方法,同时利用锂元素谱学成像技术和元素价态分布图研究了LiNi_0.5Mn_1.5O₄的表面成分和锌锰水溶液电池材料的充放电机理。利用双电子能量损失谱对锂元素进行谱学成像优势明显,不仅可以消除能量漂移的影响,提高谱学成像准确性,也能够有效校正厚度变化引起的元素分布图假像。在复杂重叠边存在的情况下,计算重叠边的重叠面积法来获得锂元素分布图是一种准确的方法。尖晶石型LiNi_0.5Mn_1.5O₄的{111}面存在1² nm厚度锰/镍的富集和锂的缺失层,其中表面锰的价态为+2价,材料表面Mn²⁺在有机电解液中容易溶解,易造成电池材料结构塌陷,这可能是造成LiNi_0.5Mn_1.5O₄循环过程中容量衰减的关键因素之一。二氧化锰水溶液锌离子电池在首次放电过程中会生成碱式硫酸锌。氢离子沿着[001]方向向材料内部反应,并使材料产生相变,形成Mn³⁺化合物,伴随着碱式硫酸锌产生。含有硫酸锰电解液的锌离子电池在充电过程中,碱式硫酸锌会消失。原始α-MnO₂材料内部存在的钾离子。这些因素可能是二氧化锰水溶液锌离子电池循环稳定性差的原因。