用扫描探针显微镜探测锂离子电池的固体/液体界面

由力量纳米表面2020年6月5

提高锂离子电池的性能依赖于对构成设备的材料在使用过程中如何发挥作用的深入理解。亚博网站下载基于扫描探针显微镜(SPM)的PeakForce金枪鱼可以提供原位以纳米尺度分辨率测量电导率，揭示锂离子电池材料功能的关键信息。一个最近的刊物ACS应用材料与接口亚博网站下载研究人员从福建师范大学，中国福州，由黄志高教授领导重点介绍了该技术如何用于研究阴极材料。亚博网站下载

图片来源:Shutterstock/Olivier Le Moal

锂离子电池被广泛应用于从个人电子产品到电动汽车的所有领域，因为它们比大多数其他电池提供更高的容量和功率密度。¹

像所有的电池一样，锂离子电池由阴极、阳极和电解质组成。当电池充电时，锂离子从阴极通过电解液移动到阳极，这一过程储存了能量。当电池放电时，锂离子移动回阴极，储存的能量被释放出来。¹

尽管锂离子电池已经被广泛使用，但据估计，目前锂离子电池只能提供其理论容量的10%左右，因此还有很大的改进空间。

此外，中国还在不断推动太阳能和风能等可再生能源的使用。但这些电源是断断续续的。因此，需要更好的电池来存储足够的能量，以满足电力需求，即使太阳下山或没有多少风。

因此，研究继续推进电池性能的边界，旨在提高容量、可靠性、充电速度和安全性。^1－3

有效的正极材料对电池性能至关重要亚博网站下载

锂离子电池对正极材料有几个要求。亚博网站下载它们必须能够容易地释放和接受锂离子，使电池能够工作。阴极释放的锂越多，电池提供的容量就越大。然而，它必须能够在不失去其结构的情况下释放离子，否则它将是不稳定的，只能提供有限的寿命。锂离子必须能够快速有效地移动回阴极结构，这样设备才能快速充电。^2，4

虽然锂离子阴极使用的材料范围很广泛亚博网站下载，但大多数材料都是插入式阴极，它由一个存储guest li离子的固体主网络组成。固体网络通常由金属硫族化合物、过渡金属氧化物或聚阴离子化合物组成，具有层状、尖晶石、橄榄石或偏钛矿结构。电极材料通常是纳米结亚博网站下载构，如粒子或棒，它们被多孔添加剂固定在一起，作为机械支撑。yabo214^2，4

电极材料的结构是如此复杂，需要纳米尺度的技术来正确地描述亚博网站下载它们。为了更好地理解和设计锂负极材料，电池研究人员需要一种能够测量精细电极形态和局部电导率的亚博网站下载技术，其分辨率可达数十纳米。

了解LCO正极材料亚博网站下载

最常见的正极材料之一是LiCoO亚博网站下载₂(LCO)，由首席运营官组成₂- sheets和Li⁺层间的离子。当电池充电时，Li⁺离子离开LCO结构，发生相变，导致材料中绝缘体到金属的转变。^4，5

利用x射线衍射、中子衍射、核磁共振、表面等离子体共振显微镜和扫描透射电镜等原位技术研究了LCO在脱层过程中的晶体结构。虽然STEM提供了最好的空间分辨率，但它不能清楚地区分出脱夹层过程中相变的早期阶段。^6、7

尽管有这些研究，LCO相变及其对电池性能的影响还没有很好地理解，观察相变仍然是一个关键的挑战。了解LCO相变有助于设计新的和改进的材料，使其能够释放更多的锂离子而不破坏其结构。亚博网站下载这将有效地增加电池容量而不降低寿命。

用扫描探针显微镜(SPM)观察LCO相变

完全理解LCO相变需要一种表征技术，能够在操作条件下以高时间和空间分辨率检测锂离子在阴极晶格中的移动。

扫描探针显微镜(SPM)正日益成为电池表征的首选工具。该技术涉及用物理探针扫描材料表面，可以在相关环境条件下就地提供物理和化学信息。不同的探针和扫描技术可以提供有关材料的一系列信息。^5、8

电导率的测量传统上使用电导原子力显微镜(CAFM)，这是基于接触模式。不幸的是，在电极表面这样的精细样品上，CAFM很难获得一致的、高分辨率的测量结果，因为它们可能会被针尖和样品之间过大的侧向力破坏。⁹

由Bruker开发的PeakForce TUNA克服了CAFM的局限性。该技术包括用一个带有电流传感器模块的导电AFM探针扫描表面。当探针扫描时，它轻击材料表面，反馈回路将峰值力保持在一个温和的、用户控制的值，同时消除侧向力。因此，PeakForce TUNA提供了一致、高灵敏度和高分辨率的电流成像。该技术也可用于液体，如电解质，使其成为理想的SPM技术，以研究LCO相变在原位。^9、10

PeakForce TUNA提供LCO阴极的新见解

福建师范大学黄志高教授和他的团队合成了LCO薄膜电极，并将其用作含有液体电解质的操作电池的阴极。当他们给细胞充电时，他们使用原地PeakForce TUNA观察了LCO的相变。他们的研究结果发表在2019年8月的《ACS应用材料与界面》杂志上。亚博网站下载⁵

研究人员通过同时测量充放电过程中的电流和地形来测量电极/电解质界面的电导率分布。他们观察到插层过程中电导率的突变，这表明金属相的形成。⁵

他们还观察到电导率分布不均匀，这表明金属相优先在电极晶粒的边缘形成。这种不均匀的电导率分布可能会引起电极上的不规则应力和磨损，导致故障和性能下降。⁵

黄教授和他的团队的研究不可能使用其他导电的AFM模式，因为与它们相关的高力可能会损坏精致的电极材料。亚博网站下载

结论

了解电池材料在相关操作条件下的性能是设计更好电池的关键。亚博网站下载PeakForce TUNA是一种SPM技术，可以实现纳米级分辨率的电导率测量，提供可以揭示电池材料电导率机制的信息，这是由福建师范大学的黄教授和他的团队演示的。亚博网站下载^5、10

PeakForce TUNA提供的重要信息，可用于设计更好的电极材料，改善电池性能，最终推进可再生能源可靠储能的发展。亚博网站下载^5、10

参考资料及进一步阅读

锂离子电池:基础和应用- Korthauer R，施普林格，2018。
“锂离子电池:对现在、未来和杂交技术的展望”- Kim T, Song W, Son DY et al.， Journal of Materials Chemistry A, 2019。亚博网站下载
锂电池:科学与技术' - Nazri 亚博老虎机网登录G, Pistoia G，施普林格，2009。
“锂离子电池材料:现在和未来”-亚博网站下载 Nitta N, Wu F, Jee JT等人，materialtoday, 2015。
“具有首选(003)取向纳米棒的Li1-xCoO2薄膜的绝缘体-金属过渡和非平衡相过渡的原位观察”- Chen Y, Yu Q, Xu G etal .， ACS应用材料与界面，2019。亚博网站下载
“SnO2纳米线电极电化学锂化的原位观察”-黄建勇，钟磊，王超等，科学，2010。亚博老虎机网登录
“工作中的全固态电池中LiCoO2正极电化学脱氮诱导结构演变的原位原子尺度观察”。-龚颖，张军，姜磊等，《美国化学学会学报》，2017。
“超越成像:原子力显微镜在锂离子电池研究中的应用”- Weidong Z, Wentao S, lingzhi C, et al.， Ultramicroscopy, 2019。
“PeakForce TUNA在纳米尺度上同时绘制电气和机械特性”
https://www.bruker.com/fileadmin/user_upload/8-PDF-Docs/SurfaceAnalysis/AFM/ApplicationNotes/Simultaneous_Electrical_and_Mechanical_Property_Mapping_at_the_Nanoscale_with_PeakForce_TUNA_AFM_AN132.pdf
“PeakForce金枪鱼”https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/modes/modes/nanoelectrical-modes/pf-tuna.html

这些信息来源于布鲁克纳米表面公司提供的材料。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问力量纳米表面。

引用

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美国心理学协会
力量纳米表面。(2021年1月15日)。用扫描探针显微镜探测锂离子电池的固体/液体界面。AZoM。于2021年10月1日从//www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=19343检索。
MLA
力量纳米表面。用扫描探针显微镜探测锂离子电池的固体/液体界面AZoM．2021年10月1日。< //www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=19343 >。
芝加哥
力量纳米表面。用扫描探针显微镜探测锂离子电池的固体/液体界面AZoM。//www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=19343。(2021年10月1日生效)。
哈佛大学
布鲁克纳米表面，2021年。用扫描探针显微镜探测锂离子电池的固体/液体界面．viewed september 21, //www.washintong.com/article.aspx?ArticleID=19343。