Aplicarea microscopiei de forță atomică în cercetarea bateriilor Li-ion
Bateriile litiu-ion (LIB) sunt în prezent cele mai promițătoare surse de energie de stocare a energiei chimice de înaltă eficiență datorită energiei specifice ridicate, duratei de viață lungi, performanțelor de siguranță ridicate și protecției mediului. În ultimii ani, direcția de cercetare a LIB-urilor s-a concentrat în principal pe cercetarea și dezvoltarea de noi materiale pentru electrozi pozitivi și negativi de înaltă eficiență, îmbunătățirea performanței în siguranță a bateriei prin schimbarea electrolitului și îmbunătățirea stabilității filmului de interfață cu electrolit solid (electrolit solid interfață, SEI) pe materialul electrodului negativ. Filmul SEI se referă la un strat de pasivare care acoperă suprafața materialului electrodului format prin reacția electrolitului și a materialului electrodului la interfața fază solid-lichid în timpul primului proces de încărcare și descărcare a LIB-urilor. Filmul SEI este un izolator electronic cu caracteristicile unui electrolit solid, dar este și un excelent conductor al ionilor de litiu, permițând ionilor de litiu să fie intercalați și extrași liber în acest strat, iar stabilitatea sa are un impact mare asupra performanței ciclului. și siguranța bateriilor litiu-ion LIB. impact mare. De obicei, pentru studiul formării, modificării și funcționării filmelor SEI se utilizează spectroscopia de impedanță electrochimică, spectroscopia Raman, spectroscopia fotoelectronului cu raze X, AFM etc., printre care AFM joacă un rol extrem de important în studierea formării, deformării și ruperii filme SEI. rol important.
În 1982, apariția microscopului cu scanare tunel (STM) a făcut posibilă pentru prima dată observarea în timp real a aranjamentului atomilor individuali pe suprafața unei substanțe și a proprietăților fizice și chimice legate de funcția de densitate electronică de suprafață. Cu toate acestea, principiul de lucru al STM este utilizarea curentului de tunel care se modifică exponențial odată cu distanța dintre sondă și suprafața conductivă pentru imagistica. Prin urmare, materialele pe care STM le poate detecta trebuie să fie conductoare, ceea ce îi limitează aplicarea. Pentru a compensa această deficiență, în 1986, BINNIG și alții au inventat microscopul cu forță atomică (AFM) folosind principiul sondei STM. AFM poate detecta nu numai conductori, materiale semiconductoare, ci și materiale izolatoare și poate analiza diferite proprietăți fizice în atmosferă, vid, lichid și alte medii. Prin urmare, are o mare importanță în cercetarea științei suprafeței, științei materialelor, științei vieții și în alte domenii. Semnificație mare și perspective largi de aplicare.
Puncte de inovare și probleme rezolvate
Datorită densității mari de energie, duratei de viață ridicate, siguranței și multor alte avantaje, bateriile litiu-ion sunt cele mai populare surse de alimentare portabile din viața modernă și au perspective largi de aplicare. Pentru a juca pe deplin potențialul bateriilor litiu-ion și pentru a promova aplicarea lor practică, este necesar să se studieze în profunzime procesul de reacție a electrodului. Ca asistent puternic în cercetarea bateriilor litiu-ion, microscopia cu forță atomică (AFM) poate detecta morfologia microscopică a suprafeței electrodului în timp real prin interacțiunea dintre atomii de la vârful electrodului și atomii de pe suprafața electrodului. și oferă informații fizice și chimice pe suprafața electrodului la scara nanometrică. Acesta oferă o bază experimentală pentru optimizarea și modificarea materialelor electrozilor și electroliților. Această lucrare trece în revistă cele mai recente progrese în aplicarea AFM în cercetarea bateriilor litiu-ion, inclusiv modificările morfologice, proprietățile nanomecanice și proprietățile electrice ale materialelor electrozilor în condiții de reacție electrochimică, indicând faptul că AFM va promova în continuare progresul cercetării bateriilor litiu-ion. .
De la apariția tehnologiei AFM, aceasta a fost utilizată pe scară largă în analiza LIB-urilor bateriilor Li-ion. Capacitatea sa de distrugere scăzută de a detecta evoluția morfologiei și proprietăților la scara nanometrică este utilă pentru o înțelegere mai profundă a LIB-urilor bateriilor Li-ion. Structura și proprietățile asociate ale materialului anodului și ale filmului SEI au pus o bază solidă pentru dezvoltarea și cercetarea LIB-urilor pentru baterii litiu-ion și au promovat în continuare dezvoltarea bateriilor litiu-ion. În această lucrare, aplicarea și progresul cercetării AFM în cercetarea materialelor cu electrozi pozitivi și negativi și a filmelor SEI sunt revizuite din aspectele morfologiei, proprietăților mecanice și proprietăților electrochimice. Aceste studii indică faptul că AFM are încă mult spațiu pentru dezvoltare în cercetarea și aplicarea bateriilor Li-ion. În plus, un număr mare de studii au constatat că măsurarea mecanică a AFM are mari avantaje față de alte tehnici de caracterizare in situ, iar această metodă are un potențial mare în observarea evoluției mecanice și structurale a interfazei și a electrozilor în diferite condiții de funcționare a bateriei. În cele din urmă, dezvoltarea unor moduri de scanare suplimentare în combinație cu alte tehnici de detectare deschide noi perspective pentru aplicarea AFM.
