电池材料
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可以直接探测电极表面的变化，就地和操作，甚至测量局部电化学活性的变化。例如，对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)层的演化和降解，该层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，表征导电性变化，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，可以深入了解当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描述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在阳极充电循环中对operando进行原位表征
- 高容量阳极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Operando成像
锂离子电池的寿命关键取决于钝化SEI层的形成和演化。挑战在于电池循环过程中电极体积的巨大变化，这将导致SEI层的实质性变形，特别是对于高容量的阳极。理想的实验是直接探测脆弱的SEI层，这在过去被认为是非常困难的壮举。这里展示的一系列图像正是这样做的，来自布朗大学的谢尔顿小组的合作工作。在这里，使用PeakForce QNM在集成手套箱中观察了Si阳极的图案维图标®电化电池。在岩化过程中，第一次直接观察到SEI层裂缝的形成。在多个充电周期中，机械退化被跟踪，这表明不能完全修复最初的裂缝，与之前的猜测相矛盾。
这些实验也为估算压裂韧性打开了大门，这是SEI层破裂的一个关键参数(参见我们合作撰写的ACS Energy Letters文章)。硅电极上固体电解质界面相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《自然通讯》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-多模态表征
锂离子阴极是一种复杂的非均质混合物，其中含有金属氧化物颗粒，以放电状态存储锂，周围是聚合粘结材料，以适应与炭黑材料混合的体积变化，以保持高导电性，从而能够提供高功率密度。这里的一系列图像展示了DataCube SSRM如何在一个维图标XR帮助绘制出成分分布和揭示粒子间剧烈的变化。在这里，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，而同时获得的电导率图显示了炭黑的不均匀分布。靠近图像上边缘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，它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。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。它还展示了案例研究，以说明这些技术是如何被实验室中的工作科学家应用的。
最近网络研讨会
相关的出版物
- Shen等，“在空气中稳定的锂阳极用于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，“用原位原子力显微镜测定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, 8,1,530 -537。
- “锂离子电池用微孔聚合物分离器的变形和断裂行为”RSC的进步2014年,1409。
- Hiesgen等，“AFM作为锂- 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年,611。
- Hiesgen等，“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年,783。
- Kumar等，“硅电极上固体电解质间相中的应变诱导锂损耗”ACS应用垫和Int2017年,28406。
- Kumar等，“硅电极上固体电解质间相失效机制的原位和操作研究”，ACS能源字母2016, 1,4,689 -697。
- Lakowski等，“纳米尺度半导体/催化剂界面在光电化学”，自然材料, 2019;DOI: 10.1038 / s41563 - 019 - 0488 - z。
- Nellist等，“电位传感电化学原子力显微镜在水裂解催化剂和界面Operando分析”，自然能源2018年,3,46岁。
