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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。从根本上说，电池是一种电化学电池，电化学AFM可以直接、原位和在线探测电极表面的变化例如，对高容量锂离子阳极的AFM研究有助于了解固体电解质界面（SEI）的演变和降解层，限制功率密度和电池寿命。在阴极，相关的电气和机械特性可以量化组件分布，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，拉伸阶段的隔膜AFM成像可以提供洞察当枝晶生长导致灾难性失效时，断裂机制发生变化。
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其他储能和转换方法（如超级电容器、燃料电池和太阳能燃料）的表征同样有用。
阳极-原位、操作数成像
锂离子电池的寿命主要取决于钝化SEI层的形成和演变。挑战在于在电池循环过程中电极体积变化很大，这导致SEI层发生很大的变形，特别是对于高容量的阳极。理想的实验将直接探测脆弱的SEI层，在operando，这一壮举过去被认为是非常困难的。这里展示的这一系列图片正是这样做的，它们来自布朗大学谢尔顿小组的合作工作。在这里，我们使用PeakForce QNM在一个集成的手套箱中观察了带图案的Si阳极尺寸图标®使用电化学电池。首次在锂化过程中直接观察到SEI层中裂纹的形成。在多次充电循环中跟踪机械退化，结果表明不会完全修复初始裂纹，这与先前的推测相矛盾。
这些实验也为估算断裂韧性打开了大门，断裂韧性是SEI层破裂的关键参数（见我们合著的ACS Energy Letters文章，“硅电极上固体电解质界面失效机理的原位和操作研究”)。关于SEI层的进一步研究，请参见最近的Nature Communications文章，“用于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-多模特性
锂离子阴极是一种复杂的、不均匀的混合物，其中含有金属氧化物颗粒，以储存锂在放电状态下，周围包裹着可容纳体积变化的高分子粘结材料，与炭黑材料混合，以保持高导电性，从而具有提供高功率密度的能力。这里的图像系列显示了DataCube SSRM如何在一个尺寸图标XR有助于绘制成分分布图，并揭示颗粒间的剧烈变化。此处，DataCube模式下可用的模量图清楚地将硬质金属氧化物颗粒与周围的软粘合剂区分开来，同时获取的导电性图显示炭黑的不均匀分布。顶部附近的颗粒图像边缘未被炭黑覆盖，从同一数据立方体中提取的一系列导电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动。
更多信息
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。必威手机客户端这本电子书解释了这些技术和它们的各种模式是如何工作的，并详细说明了它们是如何用于分析电池材料的，以及它们可以产生什么样的信息。必威手机客户端它还提供了案例研究，以说明技术是如何被工作的科学家在实验室中应用。
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相关的出版物
- Shen等人，“锂阳极在空气中稳定，用于低成本制造无枝晶锂电池，”自然传播900 (2019),DOI: 10.1038 / s41467 - 019 - 08767 - 0.
- Becker等人，“用原位原子力显微镜测定ald涂层的限制性a-Si微结构的增强锂化周期稳定性”，ACS应用程序主界面2016, 8, 1530 -537。
- Chen等人，“锂离子电池用微孔聚合物隔板的变形和断裂行为”RSC预付款2014, 4, 1409.
- Hiesgen等人，“AFM作为Li-S电池高容量硫阴极的分析工具”贝尔斯坦纳米技术杂志2013, 4, 611.
- Hiesgen等人，“用原子力显微镜研究Nafion®电流和机械性能的微观分析”膜2012年,783。
- Kumar等人，“硅电极上固体电解质界面的应变诱导锂损失”ACS应用材料和材料2017年,28406。
- Kumar等人，“硅电极上固体电解质界面失效机制的现场和操作研究”，ACS能源信件2016, 1, 4,689 -697。
- Lakowski等人，“光电化学中的纳米级半导体/催化剂界面”，天然材料必威手机客户端, 2019;DOI: 10.1038 / s41563 - 019 - 0488 - z。
- Nellist等人，“用于水裂解催化剂和界面操作分析的电位传感电化学原子力显微镜”，自然能源2018, 3, 46.
