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原子力显微镜特别适用于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，电池是电化学电池，电化学AFM可以用于探测电极表面直接，原位和在Operando的变化，甚至测量局部电化学活动的变化。例如，高容量Li离子阳极的AFM研究可以有助于了解固体电解质相互作用（SEI）层的进化和降解，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组件分布，表征电导率变化，并确定限制容量的无活性金属氧化物颗粒。最后，在拉伸阶段上的分离膜的AFM成像可以在枝晶生长导致灾难性失败时，洞察力。
在电解质存在下测量局部电化学活性和表面电导率的能力同样可用于表征其他能量存储和转换方法，例如超级电容器，燃料电池和太阳能燃料。
关键能力
- 原位，在具有EC-AFM的阳极充电周期期间的OrmanDando表征
- 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动peakforce sec®
- 多模式阴极表征datacube.®模式
- 交钥匙解决方案EC-AFM，secm和手套箱集成
阳极 - 原位，在Operando成像中
锂离子电池的寿命主要取决于钝化SEI层的形成和演化。挑战在于电池循环期间的大电极体积变化，这导致SEI层的显着变形，特别是对于高容量阳极。理想的实验将直接探测脆弱的SEI层，在Operando中，一个曾经被认为是非常困难的壮举。这里所示的一系列图像只是与布朗大学的谢尔顿集团进行的协同工作。在这里，在集成的手套箱中，使用Peailforce Qnm观察到图案化的SI阳极维数图标®用电化学电池。首次，在锂化期间，直接观察SEI层中的裂缝的形成。在多个充电循环期间正在跟踪机械劣化，这被示出不完全修复初始裂纹，以矛盾的涂布。
这些实验还打开了估计断裂韧性的门，是SEI层崩溃的关键参数（参见我们的共同组织能源字母文章，“原位和Operando对硅电极固体电解质相互作用失效机制的研究“）。有关SEI层的进一步研究，请参阅最近的自然通信文章，“锂阳极在空气中稳定，用于低成本的无树枝状锂电池，“由诺贝尔劳特·约翰·贝德选民的同步。
阴极 - 多峰表征
锂离子阴极是含有金属氧化物颗粒的复合物和非均相的混合物，以将锂存储在排出状态下，被聚合物粘合剂材料包围，该聚合物粘合剂材料容纳与炭黑材料混合的体积变化以保持高导电性，因此能够提供高功率密度的能力。此处的图像系列显示了Datacube SSRM如何维度图标XR.帮助映射分量分布并揭示颗粒变异。这里，Datacube模式中可用的模数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，而同时获取的电导率图揭示了炭黑的不均匀分布。看到图像顶部边缘附近的颗粒不被炭黑覆盖，并且从相同的数据中提取的一系列电导率图像识别该粒子，即在整个工作电压范围内非活动。
更多信息
阅读我们的电池研究电子书，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。必威手机客户端电子书介绍了这些技术的方式和各种模式工作，以及它们如何用于分析电池材料以及它们可以产生的信息。必威手机客户端它还提出了案例研究，以说明如何通过实验室工作科学家申请技术。
最近的网络研讨会
相关出版物
- Shen等，“锂阳极在空气中稳定，用于低成本的无树枝状锂电池，”自然通信10,900（2019），DOI：10.1038 / S41467-019-08767-0。
- Becker等，“使用原位AFM测定的ALD涂层的锂旋转循环稳定性的增强锂循环稳定性”，ACS应用。mater。界面2016,8,1，530-537。
- 陈等，“锂离子电池微孔聚合物隔膜的变形和断裂行为”RSC进步2014,4,1409。
- HIENGEN等，“AFM作为LI-S电池的高容量硫阴极的分析工具”北方纳米技术杂志2013,4,611。
- HIENGEN等，“由原子力显微镜研究的Nafion®的电流和机械性能的微观分析”膜2012,2,783。
- Kumar等，“硅电极固体电解质间的应变诱导的锂损失”ACS Appl Mat＆Int2017,9,28406。
- Kumar等人，“原位和Operando对硅电极对固体电解质相互异相的失效机制的研究”，ACS能量字母2016,1,4,689-697。
- Lakowski等，“光电化学中的纳米级半导体/催化剂界面”，自然材料必威手机客户端，2019;DOI：10.1038 / s41563-019-0488-z。
- Nellist等人，“潜在感应的电化学原子力显微镜，用于水分裂催化剂和界面的操作数分析”，自然能量2018,3,46。
