原子力顯微鏡在電池材料中的應用

原子力顯微鏡（AFM）特別適合作為鋰離子電池研究的工具，以解決提高電池容量、電能密度、壽命和安全性的關鍵挑戰(zhàn)。從根本上講，電池是一種電化學結構， AFM 可以直接在原位操作中探測電極表面的變化，甚至可以測量局部電化學活性的變化。例如，使用 AFM 對高容量鋰離子陽極進行研究可以幫助了解固體電解質界面（SEI）層的演變和降解，這種演變和降解限制了電能密度和電池壽命。在陰極處，相關的電學和機械特性可以量化成分分布，表征導電率變化，并精準確定限制電池容量的非活性金屬氧化物晶粒。最后，在拉伸臺上對分離膜進行AFM成像，可對枝晶生長導致災難性破壞時的斷裂機理提供深入了解。

在存在電解質的情況下，能夠原位測量局部電化學活性和表面導電率，這對于表征其它能量存儲和轉換方法（如超級電容器、燃料電池和太陽能）也同樣有用。

采用 DCUBE-TUNA 研究鋰金屬氧化物、聚合物粘合劑和導電碳納米顆粒構成的電池正極：（a）表面形貌；（b）對區(qū)分不同疇結構的表面剛度進行定量化；（c）定量化模量圖；（d）TUNA電流切片。

主要功能：

1、使用 EC-AFM 在陽極充電循環(huán)過程中進行原位操作表征

2、使用 PeakForce QNM® 對高容量陽極上的 SEI 層進行定量研究

3、使用 PeakForce SECM® 直接探測局部電化學活動

4、采用 DataCube® 模式進行多模式陰極表征

5、EC-AFM、SECM 及手套箱集成的解決方案

陽極 – 原位操作成像

鋰離子電池的壽命很大程度上取決于鈍化 SEI 層的形成和演變。所面臨的挑戰(zhàn)在于電池充放電期間電極體積會發(fā)生很大變化，從而導致 SEI 層發(fā)生相當大的變形，特別是對于高容量陽極。理想的實驗是在電池工作狀態(tài)中直接探測脆弱的 SEI 層，這種靈巧的操作曾被認為是非常困難的。此處顯示的一組圖像就采用了上述操作，來自與布朗大學的 Sheldon 小組合作的成果。圖中顯示了采用 PeakForce QNM 在配有電化學電池的 Dimension Icon® 一體式手套箱中觀察到的圖案化 Si 陽極。實驗直接觀察到鋰化過程中 SEI 層中裂紋的形成。對多個充放電周期的力降解進行跟蹤，結果表明初始裂紋無法修復，這與之前的猜測相矛盾。

SEI 層斷裂和脫黏的原位觀察。

陰極 – 多模式表征

鋰離子陰極是一種復雜的異質混合物，其所包含的金屬氧化物顆粒用于在放電狀態(tài)下存儲鋰離子，由混有碳黑材料的可適應體積變化的聚合物粘合劑材料所包覆，以保持高導電率，從而保持高電能密度的能力。此處的圖像系列顯示了 Dimension Icon XR 上的 DataCube SSRM 如何幫助組元分布成像并揭示顆粒間劇烈的變化。此處DataCube模式下可用的模量圖將硬質金屬氧化物顆粒與周圍的軟粘合劑區(qū)清晰地區(qū)分開來，而同時獲得的導電率圖則揭示了碳黑分布的不均一性。可以看到，圖像頂部邊緣附近的一個顆粒未被碳黑覆蓋，并且從同一數(shù)據(jù)立方體提取的一組導電率圖像將該顆粒識別為已失活，即在整個工作電壓范圍內處于非活動狀態(tài)。

在選定采樣電壓范圍下，鋰金屬氧化物構成的電池正極TUNA 電流切片連續(xù)成像。掃描區(qū)域為 15x15 μm2。

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