原子力显微镜

电池材料

布鲁克AFM提供最高分辨率的材料特性和原位分析,用于高级电池研究

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、使用寿命和安全性等关键挑战。从根本上说,电池是电化学电池,电化学AFM可直接、原位和操作中探测电极表面的变化,甚至测量局部电化学活性的变化。例如,AFM 研究大容量锂离子阳极有助于了解固体-电解质相(SEI)层的演化和降解,从而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元件分布,描述电导率变化,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的AFM成像可以提供在树突生长导致灾难性失效时运行的断裂机制的洞察。

在电解质存在的情况下,能够就地测量局部电化学活动和表面电导率,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。

由李金属氧化物、聚合物粘结剂和导电碳纳米粒子组成的电池阴极DCUBE-TUNA研究:(a) 表面地形;(a) 表面地形;(c) 表面地形;(c) 表面地形;(e(b) 区分不同领域的定量表面刚度;(c) 定量模量图;和 (d) 金枪鱼电流片。

关键功能

阳极 – 原位,操作成像

锂离子电池的使用寿命主要取决于钝化SEI层的形成和演变。挑战在于电池循环过程中电极体积变化较大,导致SEI层严重变形,尤其是大容量阳极。理想的实验将直接探测脆弱的SEI层,在操作,这一壮举过去被认为是非常困难的。这里展示的一系列图像就是这样做的,它来自布朗大学谢尔顿小组的合作。这里使用 PeakForce QNM 观察到了图案的 Si 阳极,在手套箱中集成 了尺寸图标® 电化学电池。首次直接观察到 SEI 层中裂缝的形成,在照明过程中。在多个充电周期中,机械降解被跟踪,这显示不能完全修复初始裂纹,这与先前的推测相矛盾。

这些实验也为估计断裂韧性打开了大门,这是SEI层分解的关键参数(参见我们合著的ACS能量信一文,"在硅电极上固体电解质相间的失效机制的位图和操作性研究")。有关SEI层的进一步研究,另见最近《自然通讯》一文,由诺贝尔奖获得者约翰·古德诺合著的《空气中的锂阳极稳定,低成本制造无Dendrite锂电池》。

原位观察 SEI 的开裂和脱包。

阴极 + 多模位特征

锂离子阴极是一种复杂且异构的混合,含有金属氧化物颗粒,以储存锂在放电状态,周围是聚合物粘结剂材料,可适应与炭黑材料混合的体积变化,以保持高导电率,从而提供高功率密度的能力。此处的图像系列显示了尺寸图标 XR 上的 DataCube SSRM 如何帮助绘制出组件分布并发现粒子与粒子变化的剧烈颗粒。此处,DataCube 模式下提供的模量图清楚地将硬金属氧化物颗粒与周围的软粘结剂区分,而同时获得的电导率图则揭示了炭黑分布不均匀。图像顶部边缘附近的粒子未被炭黑覆盖,从同一数据立方体中提取的一系列电导率图像将该粒子标识为死,即在整个工作电压范围内处于非活动状态。

在选定的样品电压下,由锂金属氧化物组成的电池阴极的光谱映射的TUNA电流片。扫描区域为 15x15 μm2。

更多信息

阅读我们的电池研究电子书,其中介绍了用于描述锂离子电池材料的主要分析技术,包括原子力显微镜 (AFM) 特性。电子书解释了这些技术及其各种模式如何工作,并详细介绍了它们如何用于分析电池材料,以及它们可以生成什么样的信息。它还介绍了案例研究,以说明实验室中的工作科学家如何应用这些技术。

相关出版物

  • 沈等人,"无丹地锂电池低成本制造的空气中的锂阳极稳定",自然通讯10,900(2019),DOI:10.1038/s41467-019-08767-0 。
  • 贝克尔等人,"使用原位AFM确定的ALD涂层密闭的一si微结构的增强光循环稳定性",ACS Appl. Mater。接口2016, 8, 1, 530-537.
  • 陈等人,"锂离子电池微孔聚合物分离器的变形和断裂行为"RSC推进2014年,4,1409年。
  • Hiesgen等人,"AFM作为Li+S电池高容量硫阴极分析工具",Beilstein纳米技术杂志2013年,4,611。
  • Hiesgen等人,"纳菲翁电流和机械性能的微观分析®原子力显微镜研究"2012年,2,783。
  • Kumar等人,"硅电极上固体电解质相间的应变诱导锂损耗"ACS Appl Mat & Int 2017, 9, 28406.
  • Kumar等人,"在Steu和操作中对硅电极上固体电解质间相失效机制的调查",ACS能量信2016,1,4,689-697。
  • Lakowski等人,《光电子化学中的纳米级半导体/催化剂接口》,自然材料,2019年;DOI: 10.1038/s41563-019-0488-z.
  • Nellist等人,"水分裂催化剂和界面操作分析的电感电电原子力显微镜",自然能源2018年,3,46。