原子力顯微鏡在電池材料中的應用

2024-06-04 09:31:48

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(guān)鍵挑戰。從根本上講，電池是***種電化學(xué)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(xué)活性的變化。例如，使用 AFM 對高容量鋰離子陽(yáng)極進(jìn)行研究可以幫助了解固體電解質(zhì)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(guān)的電學(xué)和機械特性可以量化成分分布，表征導電率變化，并確定限制電池容量的非活性金屬氧化物晶粒，在拉伸臺上對分離膜進(jìn)行AFM成像，可對枝晶生長(cháng)導致災難性破壞時(shí)的斷裂機理提供深入了解。

在存在電解質(zhì)的情況下，能夠原位測量局部電化學(xué)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***電容器、燃料電池和太陽(yáng)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）對區分不同疇結構的表面剛度進(jìn)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(yáng)極充電循環(huán)過(guò)程中進(jìn)行原位操作表征

2、使用 PeakForce QNM? 對高容量陽(yáng)極上的 SEI 層進(jìn)行定量研究

3、使用 PeakForce SECM? 直接探測局部電化學(xué)活動(dòng)

4、采用 DataCube? 模式進(jìn)行多模式陰極表征

5、EC-AFM、SECM 及手套箱集成的全方位解決方案

陽(yáng)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。所面臨的挑戰在于電池充放電期間電極體積會(huì )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(yáng)極。理想的實(shí)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***組圖像就采用了上述操作，來(lái)自與布朗大學(xué)的 Sheldon 小組合作的成果。圖中顯示了采用 PeakForce QNM 在配有電化學(xué)電池的 Dimension Icon? ***體式手套箱中觀(guān)察到的圖案化 Si 陽(yáng)極。實(shí)驗直接觀(guān)察到鋰化過(guò)程中 SEI 層中裂紋的形成。對多個(gè)充放電周期的力降解進(jìn)行跟蹤，結果表明初始裂紋無(wú)法完全修復，這與之前的猜測相矛盾。

SEI 層斷裂和脫黏的原位觀(guān)察。

陰極 – 多模式表征

鋰離子陰極是***種復雜的異質(zhì)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(zhì)金屬氧化物顆粒與周?chē)能浾澈蟿﹨^清晰地區分開(kāi)來(lái)，而同時(shí)獲得的導電率圖則揭示了碳黑分布的不均***性?？梢钥吹?，圖像頂部邊緣附近的***個(gè)顆粒未被碳黑覆蓋，并且從同***數據立方體提取的***組導電率圖像將該顆粒識別為已失活，即在整個(gè)工作電壓范圍內處于非活動(dòng)狀態(tài)。