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原子力显微镜特别适合作为锂离子电池研究的工具，以解决提高电池容量、功率密度、寿命和安全性的关键挑战。电池本质上是一种电化学电池，电化学AFM可以直接、原位和操作中探测电极表面的变化，甚至可以测量局部电化学活性的变化。例如，高容量锂离子阳极的AFM研究可以帮助理解固体电解质间相(SEI)层的演变和退化，这限制了功率密度和电池寿命。在阴极，相关的电气和机械表征可以量化成分分布，表征电导率变化，并精确定位限制容量的非活性金属氧化物颗粒。最后，在拉伸阶段对分离膜进行AFM成像，可以深入了解枝晶生长导致灾难性失效时的断裂机制。
在电解液存在的情况下，原位测量局部电化学活性和表面电导率的能力对于表征其他能量存储和转换方法(如超级电容器、燃料电池和太阳能燃料)同样有用。
关键功能
- 用EC-AFM原位表征阳极充电循环过程中的operando
- 高容量阳极上SEI层的定量研究PeakForce QNM®
- 直接探测局部电化学活性PeakForce SECM®
- 多模态阴极表征DataCube®模式
- 交钥匙解决方案EC-AFM、SECM和手套箱集成
阳极-原位，在操作成像
锂离子电池的寿命关键取决于钝化SEI层的形成和演变。挑战在于电池循环过程中电极体积的巨大变化，这导致SEI层的大量变形，特别是对于高容量阳极。理想的实验是直接探测脆弱的SEI层，在operando中，这是一项过去被认为非常困难的壮举。这里展示的一系列图片就是这样做的，是与布朗大学的谢尔顿小组合作完成的。在这里，使用PeakForce QNM在集成的手套箱中观察到有图案的硅阳极维图标®电化学电池。在锂化过程中，首次直接观察到SEI层中裂纹的形成。在多次充电循环中，机械退化被跟踪，这表明没有完全修复最初的裂缝，与先前的猜测相矛盾。
这些实验也为估计断裂韧性打开了大门，断裂韧性是SEI层破裂的一个关键参数(参见我们合著的ACS Energy Letters文章，“硅电极上固体电解质界面相失效机制的原位和操作研究”)。关于SEI层的进一步研究，请参见《自然通讯》最近的文章。低成本制造无枝晶锂电池的空气稳定锂阳极，由诺贝尔奖得主约翰·古迪纳夫合著。
阴极-多模态表征
锂离子阴极是一种复杂且不均匀的混合物，含有金属氧化物颗粒，用于将锂存储在放电状态下，周围是与炭黑材料混合的聚合物粘结材料，可容纳体积变化，以保持高导电性，从而能够提供高功率密度。这里的图像系列展示了DataCube SSRM如何在尺寸图标XR帮助绘制出成分分布和揭示剧烈的粒子到粒子的变化。在DataCube模式下的模量图清楚地将硬质金属氧化物颗粒与周围的软粘结剂区分开来，同时获得的电导率图揭示了炭黑的不均匀分布。图像顶部边缘附近的粒子没有被炭黑覆盖，从同一数据立方体中提取的一系列电导率图像将该粒子识别为死粒子，即在整个工作电压范围内不活跃。
更多的信息
阅读我们的电池研究电子书，其中介绍了用于表征锂离子电池材料的主要分析技术，包括原子力显微镜(AFM)表征。雷竞技网页版这本电子书解释了这些技术及其各种模式的工作原理，并详细介绍了它们如何用于分析电池材料以及它们可以产生什么样的信息。雷竞技网页版它还介绍了案例研究，以说明这些技术是如何被工作在实验室的科学家应用的。
最近网络研讨会
相关的出版物
- 沈等人，“锂阳极稳定在空气中，低成本制造无枝晶锂电池，”自然通讯10, 900 (2019)， DOI:10.1038/s41467-019-08767-0。
- Becker等人，“用原位AFM测定ald涂层限制a-Si微结构的增强锂化循环稳定性”，ACS达成。板牙。接口2016, 8,1530 -537。
- Chen等，“锂离子电池用微孔聚合物隔板的变形和断裂行为”RSC的进步2014, 4,1409。
- Hiesgen等人，“AFM作为锂- s电池高容量硫阴极的分析工具”纳米技术杂志2013, 4,611。
- Hiesgen等人，“用原子力显微镜研究Nafion®的电流和机械性能的微观分析”膜2012, 2783。
- Kumar等人，“硅电极上固体电解质界面中应变诱导的锂损耗”ACS应用垫和Int2017, 9, 28406。
- Kumar等人，“硅电极上固体电解质界面相失效机制的原位和Operando研究”，ACS能源通讯2016, 1,4,689 -697。
- Lakowski等，“光电化学中的纳米级半导体/催化剂界面”，自然材料雷竞技网页版, 2019;DOI: 10.1038 / s41563 - 019 - 0488 - z。
- Nellist等人，“电位传感电化学原子力显微镜用于水分解催化剂和界面的操作分析”，自然能源2018, 3, 46。
