Εφαρμογή της μικροσκοπίας ατομικής δύναμης στην έρευνα μπαταριών ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIBs) είναι επί του παρόντος οι πιο υποσχόμενες πηγές ενέργειας αποθήκευσης χημικής ενέργειας υψηλής απόδοσης λόγω της υψηλής ειδικής ενέργειας, της μεγάλης διάρκειας ζωής τους, της υψηλής απόδοσης ασφάλειας και της προστασίας του περιβάλλοντος. Τα τελευταία χρόνια, η ερευνητική κατεύθυνση των LIBs έχει επικεντρωθεί κυρίως στην έρευνα και ανάπτυξη νέων θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων υψηλής απόδοσης υλικών, βελτιώνοντας την απόδοση της ασφάλειας της μπαταρίας αλλάζοντας τον ηλεκτρολύτη και βελτιώνοντας τη σταθερότητα του φιλμ διεπαφής στερεού ηλεκτρολύτη (στερεός ηλεκτρολύτης διεπαφή, SEI) στο υλικό του αρνητικού ηλεκτροδίου. Το φιλμ SEI αναφέρεται σε ένα στρώμα παθητικοποίησης που καλύπτει την επιφάνεια του υλικού του ηλεκτροδίου που σχηματίζεται από την αντίδραση του ηλεκτρολύτη και του υλικού του ηλεκτροδίου στη διεπιφάνεια φάσης στερεού-υγρού κατά την πρώτη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης των LIB. Το φιλμ SEI είναι ένας ηλεκτρονικός μονωτήρας με τα χαρακτηριστικά ενός στερεού ηλεκτρολύτη, αλλά είναι επίσης ένας εξαιρετικός αγωγός ιόντων λιθίου, επιτρέποντας στα ιόντα λιθίου να παρεμβάλλονται και να εξάγονται ελεύθερα σε αυτό το στρώμα και η σταθερότητά του έχει μεγάλο αντίκτυπο στην απόδοση του κύκλου και ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου LIB. μεγάλο αντίκτυπο. Συνήθως, η φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής σύνθετης αντίστασης, η φασματοσκοπία Raman, η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ, η AFM, κ.λπ. χρησιμοποιούνται για τη μελέτη του σχηματισμού, της αλλαγής και της λειτουργίας των φιλμ SEI, μεταξύ των οποίων το AFM διαδραματίζει εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στη μελέτη του σχηματισμού, της παραμόρφωσης και της ρήξης του Ταινίες SEI. σημαντικός ρόλος.
Το 1982, η εμφάνιση του μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας (STM) κατέστησε δυνατή για πρώτη φορά την παρατήρηση σε πραγματικό χρόνο της διάταξης μεμονωμένων ατόμων στην επιφάνεια μιας ουσίας και των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων που σχετίζονται με τη συνάρτηση επιφανειακής πυκνότητας ηλεκτρονίων. Ωστόσο, η αρχή λειτουργίας του STM είναι η χρήση του ρεύματος σήραγγας που αλλάζει εκθετικά με την απόσταση μεταξύ του καθετήρα και της αγώγιμης επιφάνειας για απεικόνιση. Επομένως, τα υλικά που μπορεί να ανιχνεύσει το STM πρέπει να είναι αγώγιμα, γεγονός που περιορίζει την εφαρμογή του. Προκειμένου να καλυφθεί αυτή η έλλειψη, το 1986, ο BINNIG και άλλοι επινόησαν το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM) χρησιμοποιώντας την αρχή του ανιχνευτή STM. Το AFM δεν μπορεί μόνο να ανιχνεύσει αγωγούς, υλικά ημιαγωγών, αλλά και μονωτικά υλικά και μπορεί να αναλύσει διαφορετικές φυσικές ιδιότητες στην ατμόσφαιρα, το κενό, το υγρό και άλλα περιβάλλοντα. Ως εκ τούτου, έχει μεγάλη σημασία στην έρευνα της επιφανειακής επιστήμης, της επιστήμης των υλικών, της επιστήμης της ζωής και άλλων τομέων. Μεγάλη σημασία και ευρείες προοπτικές εφαρμογής.
Σημεία καινοτομίας και λύθηκαν προβλήματα
Λόγω της υψηλής ενεργειακής πυκνότητάς τους, του υψηλού κύκλου ζωής, της ασφάλειας και πολλών άλλων πλεονεκτημάτων, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι οι πιο δημοφιλείς φορητές πηγές ενέργειας στη σύγχρονη ζωή και έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής. Προκειμένου να δοθεί πλήρης σημασία στο δυναμικό των μπαταριών ιόντων λιθίου και να προωθηθεί η πρακτική εφαρμογή τους, είναι απαραίτητο να μελετηθεί σε βάθος η διαδικασία αντίδρασης των ηλεκτροδίων. Ως ισχυρός βοηθός στην έρευνα των μπαταριών ιόντων λιθίου, η μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) μπορεί να ανιχνεύσει τη μικροσκοπική μορφολογία της επιφάνειας του ηλεκτροδίου σε πραγματικό χρόνο μέσω της αλληλεπίδρασης μεταξύ των ατόμων στην άκρη του ηλεκτροδίου και των ατόμων στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και παρέχουν φυσικές και χημικές πληροφορίες για την επιφάνεια του ηλεκτροδίου σε κλίμακα νανομέτρων. Παρέχει μια πειραματική βάση για τη βελτιστοποίηση και την τροποποίηση υλικών ηλεκτροδίων και ηλεκτρολυτών. Αυτό το έγγραφο εξετάζει την τελευταία πρόοδο εφαρμογής του AFM στην έρευνα των μπαταριών ιόντων λιθίου, συμπεριλαμβανομένων των αλλαγών μορφολογίας, των νανομηχανικών ιδιοτήτων και των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των υλικών ηλεκτροδίων υπό συνθήκες ηλεκτροχημικής αντίδρασης, υποδεικνύοντας ότι το AFM θα προωθήσει περαιτέρω την ερευνητική πρόοδο των μπαταριών ιόντων λιθίου .
Από την εμφάνιση της τεχνολογίας AFM, έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην ανάλυση των LIB μπαταριών Li-ion. Η χαμηλή καταστροφική του ικανότητα να ανιχνεύει την εξέλιξη της μορφολογίας και των ιδιοτήτων σε κλίμακα νανομέτρων είναι χρήσιμη για μια βαθύτερη κατανόηση των LIB μπαταριών Li-ion. Η δομή και οι σχετικές ιδιότητες του υλικού ανόδου και του φιλμ SEI έθεσαν μια σταθερή βάση για την ανάπτυξη και την έρευνα LIB για μπαταρίες ιόντων λιθίου και προώθησαν περαιτέρω την ανάπτυξη μπαταριών ιόντων λιθίου. Στην παρούσα εργασία, η εφαρμογή και η ερευνητική πρόοδος του AFM στην έρευνα θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων υλικών και φιλμ SEI εξετάζονται από τις πτυχές της μορφολογίας, των μηχανικών ιδιοτήτων και των ηλεκτροχημικών ιδιοτήτων. Αυτές οι μελέτες δείχνουν ότι το AFM έχει ακόμη πολλά περιθώρια ανάπτυξης στην έρευνα και την εφαρμογή μπαταριών Li-ion. Επιπλέον, ένας μεγάλος αριθμός μελετών έχει βρει ότι η μηχανική μέτρηση του AFM έχει μεγάλα πλεονεκτήματα σε σχέση με άλλες τεχνικές χαρακτηρισμού in situ και αυτή η μέθοδος έχει μεγάλες δυνατότητες στην παρατήρηση της μηχανικής και δομικής εξέλιξης της ενδιάμεσης φάσης και των ηλεκτροδίων υπό διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας μπαταρίας. Τέλος, η ανάπτυξη πρόσθετων τρόπων σάρωσης σε συνδυασμό με άλλες τεχνικές ανίχνευσης ανοίγει νέους ορίζοντες για την εφαρμογή του AFM.
