Uporaba mikroskopije na atomsko silo pri raziskavah litij-ionskih baterij
Litij-ionske baterije (LIB) so zaradi svoje visoke specifične energije, dolge življenjske dobe, visoke varnosti in varstva okolja trenutno najbolj obetavni viri energije za shranjevanje kemične energije z visoko učinkovitostjo. V zadnjih letih se je raziskovalna smer LIB osredotočila predvsem na raziskave in razvoj novih visoko učinkovitih materialov za pozitivne in negativne elektrode, izboljšanje varnosti baterije s spremembo elektrolita in izboljšanje stabilnosti vmesnega filma trdnega elektrolita (trdni elektrolit vmesnik, SEI) na materialu negativne elektrode. Film SEI se nanaša na pasivacijsko plast, ki pokriva površino materiala elektrode, ki nastane z reakcijo elektrolita in materiala elektrode na vmesniku med trdno in tekočo fazo med prvim postopkom polnjenja in praznjenja LIB. Film SEI je elektronski izolator z značilnostmi trdnega elektrolita, vendar je tudi odličen prevodnik litijevih ionov, ki omogoča prosto interkalacijo in ekstrakcijo litijevih ionov v tej plasti, njegova stabilnost pa močno vpliva na delovanje cikla in varnost litij-ionskih baterij LIB. velik vpliv. Običajno se elektrokemična impedančna spektroskopija, Ramanova spektroskopija, rentgenska fotoelektronska spektroskopija, AFM itd. uporabljajo za preučevanje nastanka, spreminjanja in delovanja filmov SEI, med katerimi ima AFM izredno pomembno vlogo pri preučevanju nastanka, deformacije in zloma SEI filmi. pomembno vlogo.
Leta 1982 je pojav vrstičnega tunelskega mikroskopa (STM) prvič omogočil opazovanje v realnem času razporeditve posameznih atomov na površini snovi ter fizikalnih in kemijskih lastnosti, povezanih s funkcijo površinske elektronske gostote. Vendar je načelo delovanja STM uporaba tunelskega toka, ki se eksponentno spreminja z razdaljo med sondo in prevodno površino za slikanje. Zato morajo biti materiali, ki jih lahko zazna STM, prevodni, kar omejuje njegovo uporabo. Da bi nadomestili to pomanjkljivost, so leta 1986 BINNIG in drugi izumili mikroskop na atomsko silo (AFM), ki uporablja princip sonde STM. AFM ne more le zaznati prevodnikov, polprevodniških materialov, temveč tudi izolatorske materiale in lahko analizira različne fizikalne lastnosti v atmosferi, vakuumu, tekočini in drugih okoljih. Zato ima velik pomen v raziskavah površinske znanosti, znanosti o materialih, znanosti o življenju in drugih področjih. Velik pomen in široka možnost uporabe.
Inovacijske točke in rešeni problemi
Zaradi visoke energijske gostote, dolge življenjske dobe, varnosti in številnih drugih prednosti so litij-ionske baterije najbolj priljubljeni prenosni viri energije v sodobnem življenju in imajo široke možnosti uporabe. Da bi v celoti izkoristili potencial litij-ionskih baterij in spodbujali njihovo praktično uporabo, je treba poglobljeno preučiti proces elektrodne reakcije. Kot močan pomočnik pri raziskavah litij-ionskih baterij lahko mikroskopija na atomsko silo (AFM) zazna mikroskopsko morfologijo površine elektrode v realnem času prek interakcije med atomi na konici elektrode in atomi na površini elektrode. , ter zagotavljajo fizikalne in kemijske informacije o površini elektrode v nanometrskem merilu. Zagotavlja eksperimentalno osnovo za optimizacijo in modifikacijo elektrodnih materialov in elektrolitov. Ta dokument obravnava najnovejši napredek uporabe AFM pri raziskavah litij-ionskih baterij, vključno s spremembami morfologije, nanomehanskimi lastnostmi in električnimi lastnostmi materialov elektrod v pogojih elektrokemične reakcije, kar kaže, da bo AFM še naprej spodbujal napredek raziskav litij-ionskih baterij .
Od pojava tehnologije AFM se pogosto uporablja pri analizi Li-ionskih baterij LIB. Njegova nizko destruktivna sposobnost zaznavanja razvoja morfologije in lastnosti na nanometrskem merilu je koristna za globlje razumevanje Li-ionskih baterij LIB. Struktura in z njo povezane lastnosti anodnega materiala in filma SEI so postavile trdne temelje za razvoj in raziskave LIB-jev za litij-ionske baterije ter dodatno spodbudile razvoj litij-ionskih baterij. V tem prispevku sta uporaba in raziskovalni napredek AFM pri raziskavah materialov pozitivnih in negativnih elektrod ter filmov SEI pregledana z vidika morfologije, mehanskih lastnosti in elektrokemijskih lastnosti. Te študije kažejo, da ima AFM še veliko prostora za razvoj pri raziskavah in uporabi Li-ionskih baterij. Poleg tega je veliko število študij pokazalo, da ima mehansko merjenje AFM velike prednosti pred drugimi tehnikami karakterizacije in situ, ta metoda pa ima velik potencial pri opazovanju mehanskega in strukturnega razvoja medfaznih in elektrod v različnih pogojih delovanja baterije. Nazadnje, razvoj dodatnih načinov skeniranja v povezavi z drugimi tehnikami zaznavanja odpira nove možnosti za uporabo AFM.
