Aplikace mikroskopie atomárních sil při výzkumu Li-ion baterií
Lithium-iontové baterie (LIB) jsou v současné době nejslibnějšími vysoce účinnými chemickými energetickými akumulačními zdroji energie díky jejich vysoké specifické energii, dlouhé životnosti cyklu, vysoké bezpečnosti a ochraně životního prostředí. V posledních letech se výzkumný směr LIBs soustředil hlavně na výzkum a vývoj nových vysoce účinných materiálů pro kladné a záporné elektrody, zlepšení bezpečnosti baterií výměnou elektrolytu a zlepšení stability filmu rozhraní pevného elektrolytu (pevný elektrolyt rozhraní, SEI) na materiálu záporné elektrody. Film SEI se týká pasivační vrstvy pokrývající povrch elektrodového materiálu vytvořeného reakcí elektrolytu a elektrodového materiálu na rozhraní pevná látka-kapalina během prvního procesu nabíjení a vybíjení LIB. Fólie SEI je elektronický izolátor s charakteristikami pevného elektrolytu, ale je také vynikajícím vodičem iontů lithia, což umožňuje lithné ionty volně interkalovat a extrahovat v této vrstvě a její stabilita má velký vliv na výkon cyklu. a bezpečnost lithium-iontových baterií LIB. velký dopad. Ke studiu tvorby, změny a funkce filmů SEI se obvykle používá elektrochemická impedanční spektroskopie, Ramanova spektroskopie, rentgenová fotoelektronová spektroskopie, AFM atd., mezi nimiž hraje AFM mimořádně důležitou roli při studiu tvorby, deformace a prasknutí filmy SEI. důležitá role.
V roce 1982 umožnil nástup rastrovacího tunelového mikroskopu (STM) poprvé v reálném čase pozorovat uspořádání jednotlivých atomů na povrchu látky a fyzikální a chemické vlastnosti související s funkcí povrchové elektronové hustoty. Principem činnosti STM je však použití tunelovacího proudu, který se exponenciálně mění se vzdáleností mezi sondou a vodivým povrchem pro zobrazování. Proto materiály, které může STM detekovat, musí být vodivé, což omezuje jeho použití. Aby se tento nedostatek napravil, v roce 1986 BINNIG a další vynalezli mikroskop atomové síly (AFM) využívající princip sondy STM. AFM dokáže detekovat nejen vodiče, polovodičové materiály, ale také izolační materiály a může analyzovat různé fyzikální vlastnosti v atmosféře, vakuu, kapalinách a dalších prostředích. Proto má velký význam ve výzkumu povrchových věd, materiálových věd, věd o živé přírodě a dalších oborů. Velký význam a široké uplatnění.
Inovační body a vyřešené problémy
Díky své vysoké hustotě energie, dlouhé životnosti, bezpečnosti a mnoha dalším výhodám jsou lithium-iontové baterie nejoblíbenějšími přenosnými zdroji energie v moderním životě a mají široké vyhlídky. Aby bylo možné plně využít potenciál lithium-iontových baterií a podpořit jejich praktické využití, je nutné do hloubky studovat proces elektrodové reakce. Jako výkonný pomocník při výzkumu lithium-iontových baterií dokáže mikroskopie atomové síly (AFM) detekovat mikroskopickou morfologii povrchu elektrody v reálném čase prostřednictvím interakce mezi atomy na špičce elektrody a atomy na povrchu elektrody. a poskytují fyzikální a chemické informace na povrchu elektrody v nanometrovém měřítku. Poskytuje experimentální základ pro optimalizaci a modifikaci materiálů elektrod a elektrolytů. Tento článek shrnuje nejnovější aplikační pokrok AFM ve výzkumu lithium-iontových baterií, včetně morfologických změn, nanomechanických vlastností a elektrických vlastností materiálů elektrod za podmínek elektrochemické reakce, což naznačuje, že AFM bude dále podporovat pokrok ve výzkumu lithium-iontových baterií. .
Od vzniku technologie AFM byla široce používána při analýze Li-ion baterií LIB. Jeho nízká destruktivní schopnost detekovat vývoj morfologie a vlastností v nanometrovém měřítku je užitečná pro hlubší pochopení Li-ion baterií LIB. Struktura a související vlastnosti materiálu anody a filmu SEI položily pevný základ pro vývoj a výzkum LIB pro lithium-iontové baterie a dále podpořily vývoj lithium-iontových baterií. V tomto článku je zhodnocena aplikace a výzkumný pokrok AFM ve výzkumu materiálů pozitivních a negativních elektrod a filmů SEI z hlediska morfologie, mechanických vlastností a elektrochemických vlastností. Tyto studie naznačují, že AFM má stále velký prostor pro rozvoj ve výzkumu a aplikaci Li-ion baterií. Kromě toho velké množství studií zjistilo, že mechanické měření AFM má velké výhody oproti jiným technikám charakterizace in situ a tato metoda má velký potenciál při pozorování mechanického a strukturálního vývoje mezifázové fáze a elektrod za různých provozních podmínek baterie. A konečně, vývoj dalších skenovacích režimů ve spojení s dalšími detekčními technikami otevírá nové obzory pro aplikaci AFM.
