研究使用AFM的锂离子电池的纳米力学特性

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锂离子电池为我们的现代生活方式提供动力。使用离子电池技术，它们会存储电能，使我们的设备无论走到哪里，都可以随身携带。它们还可以从可再生能源中存储电力，使其成为化石燃料的可行替代品。

德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院的约翰·B·古德纳（John B.在1970年代后期，他开发了LI阴极，该阴极可以使电荷在细胞内更安全，更高密度。Goodenough教授继续在该领域工作，使用Bruker的Peakforce QNM技术发表的一篇论文去年出版了，为电池研究带来了进一步的改进¹。

电池的重要性

电池在包括消费电子，运输和可再生能源在内的技术中起着重要作用。手机，笔记本电脑，平板电脑和电动汽车均设计为在需要的任何地方使用，因此需要有效，高密度，可充电电池。

可再生能源也依赖电池。由于天气状况的变化，风能和太阳能通常不一致。充分利用其功能意味着必须在供应量超过需求时存储功率，以便在使用情况增加时很容易获得。

较小，更轻巧的电池有一个持续的驱动器，可以更快地存储更多的能量和充电。设计更好的电池需要详细了解它们的工作方式，电池内每种材料的作用以及如何改进它们。

研究表明，电池材料之间的界面对于电池功能至关重要。亚博网站下载充分理解这些接口需要可靠，准确的纳米级技术。原子力显微镜是分析电池材料的领先技术，这要归功于其独特的纳米级界面定量表征的能力。亚博网站下载

早期设备

存储能源是约翰·B·古德纳（John B. Goodenough）在1972年石油危机期间为福特汽车公司工作时的任务。²。美国驾车者在汽油泵上排队，福特想要在大规模生产的电动汽车电池中使用的替代材料。亚博网站下载当时，Goodenough专注于钠离子电导率和储能，但他很快就会确定一个更有希望的候选人。

离开福特后，他担任牛津大学无机化学实验室的主角。他的兴趣被一篇论文所激发了斯坦利·惠廷汉姆并出版自然其中描述了由锂阳极和二硫化钛阴极组成的电池。

尽管它具有很高的能量密度并且可充电，但由于电池经历了几个电荷循环时，由于锂树突在整个电解质上形成了主要缺点³。树突短路并导致整个设置爆炸。

Goodenough的电池解决方案

Goodenough的伟大发现是将氧化锂氧化锂用作阴极而不是Li金属。这意味着电池仍然可以充满高密度的存储能量，但避免了困扰先前版本的爆炸性结果。

与斯坦利·惠廷汉姆（Stanley Whittingham）一起奠定了最初的基础工作，以及创建了第一个商业上可行的锂离子电池的秋田Yoshino（Akira Yoshino），2019年Goodenough被授予诺贝尔化学奖。这是可以提出最高的科学荣誉，并反映了该技术已证明的重要性。

正在进行的研究与发展

电池研发已经走了很长一段路。与前任相比，Goodenough的早期成就设计了锂离子电池的寿命和能量密度的改善，为电池材料和技术的大量改进铺平了道路，但仍有很多事情要做。亚博网站下载全球对更好的电池的需求不断增加，具有更好的存储能力，增强寿命，提高能量密度和更低的成本。

在97岁的时候，Goodenough继续研究材料科学的多股，并推进了锂离子电池储存领域。亚博网站下载亚博老虎机网登录直到去年，他共同撰写了一篇论文，该论文表征并比较了复合材料阳极上的固体电解质相（SEI）层，其中包含氟化锂（LIF）和石墨氟化物（GF）的保护层¹。这项工作使用了原子力显微镜，特别是布鲁克的Peakforce QNM（定量纳米级机械）模式进行高分辨率，对电池阳极的地形和纳米力学特性的定量表征。

Peakforce QNM使用峰值攻击绘制和区分材料的机械性能的技术，例如弹性模量⁴，具有纳米级分辨率。该技术已成功地用于研究具有纳米级特征的各种其他细腻材料，包括聚合物，纳米颗粒，活哺乳动物细胞和组织。亚博网站下载yabo214

Goodenough和他的同事使用Peakforce QNM可视化GF -LIF -LI阳极如何抑制Li树突的生长。收集了GF-LIF-LI和裸露阳极的高分辨率地形图像，比较表明，与裸露的Li阳极的粗糙表面相比。

相关的弹性模量图显示了两个阳极之间的模量如何变化，而gf-lif层的模量减少，表明它更灵活，并且不容易破坏，因为在裸李金属上开发的SEI层。

通过使用PeakForce QNM，研究人员获得了对GF-LIF层能够稳定工作液体阳极的界面并防止树突形成的机制的宝贵洞察力。无树枝状锂阳极的这种发展是生产新电池的关键一步，该电池的成本可能更低，充电速度更快，具有更长的生命周期和更高的储存电力密度。它还证明了Goodenough教授所做的研究从根本上重要的是他继续影响并指导他40多年前创建的技术。

参考和进一步阅读

1. 沉，X。等。锂阳极在空气中稳定，用于低成本制造无树突的锂电池。纳特。社区。10，（2019）。
2. PERKS，B。Goodenough规则。化学世界可在以下网址找到：https：//www.chemistryworld.com/features/goodenough-rules/8099.Article。
3. Masaki Yoshio，H。N.锂离子电池，第2章。锂离子电池（2009）。doi：10.1007/978-0-387-34445-4
4. 布鲁克。Peakforce QNM。可用网址：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/modes/modes/imaging-modes/imaging-modes/peakforce-qnm.html