Primjena mikroskopije atomske sile u istraživanju litij-ionskih baterija
Litij-ionske baterije (LIB) trenutno su najperspektivniji visokoučinkoviti izvori energije za pohranu kemijske energije zbog svoje visoke specifične energije, dugog vijeka trajanja, visokih sigurnosnih performansi i zaštite okoliša. Posljednjih godina, smjer istraživanja LIB-a uglavnom je bio usmjeren na istraživanje i razvoj novih visokoučinkovitih materijala za pozitivne i negativne elektrode, poboljšanje sigurnosnih performansi baterije promjenom elektrolita i poboljšanje stabilnosti sloja čvrstog elektrolita (kruti elektrolit sučelje, SEI) na materijalu negativne elektrode. SEI film se odnosi na pasivacijski sloj koji prekriva površinu materijala elektrode formiranog reakcijom elektrolita i materijala elektrode na granici čvrsto-tekuće faze tijekom prvog procesa punjenja i pražnjenja LIB-ova. SEI film je elektronički izolator sa karakteristikama čvrstog elektrolita, ali je također izvrstan vodič litijevih iona, omogućujući slobodno interkaliranje i ekstrakciju litijevih iona u ovom sloju, a njegova stabilnost ima veliki utjecaj na performanse ciklusa i sigurnost litij-ionskih baterija LIB. veliki utjecaj. Obično se elektrokemijska impedancijska spektroskopija, Ramanova spektroskopija, rendgenska fotoelektronska spektroskopija, AFM, itd. koriste za proučavanje formiranja, promjene i funkcije SEI filmova, među kojima AFM igra iznimno važnu ulogu u proučavanju formiranja, deformacije i pucanja SEI filmovi. važna uloga.
Godine 1982., pojava skenirajućeg tunelskog mikroskopa (STM) prvi je put omogućila promatranje u stvarnom vremenu rasporeda pojedinačnih atoma na površini tvari te fizikalnih i kemijskih svojstava povezanih s funkcijom površinske gustoće elektrona. Međutim, načelo rada STM-a je korištenje struje tunela koja se eksponencijalno mijenja s udaljenošću između sonde i vodljive površine za snimanje. Stoga materijali koje STM može otkriti moraju biti vodljivi, što ograničava njegovu primjenu. Kako bi nadoknadili ovaj nedostatak, 1986. godine BINNIG i drugi izumili su mikroskop atomske sile (AFM) koristeći princip sonde STM. AFM ne samo da može otkriti vodiče, poluvodičke materijale, već i izolatorske materijale, te može analizirati različita fizikalna svojstva u atmosferi, vakuumu, tekućini i drugim okruženjima. Stoga ima veliko značenje u istraživanju znanosti o površinama, znanosti o materijalima, znanosti o životu i drugim područjima. Veliki značaj i široka perspektiva primjene.
Točke inovacije i riješeni problemi
Zbog svoje visoke gustoće energije, dugog vijeka trajanja, sigurnosti i mnogih drugih prednosti, litij-ionske baterije su najpopularniji prijenosni izvori energije u modernom životu i imaju široku primjenu. Kako bi se u potpunosti iskoristio potencijal litij-ionskih baterija i promovirala njihova praktična primjena, potrebno je dubinski proučiti proces reakcije elektrode. Kao snažan pomoćnik u istraživanju litij-ionskih baterija, mikroskopija atomske sile (AFM) može otkriti mikroskopsku morfologiju površine elektrode u stvarnom vremenu kroz interakciju između atoma na vrhu elektrode i atoma na površini elektrode. , te pružaju fizikalne i kemijske informacije o površini elektrode na nanometarskoj skali. Pruža eksperimentalnu osnovu za optimizaciju i modifikaciju materijala elektroda i elektrolita. Ovaj rad daje pregled najnovijeg napretka primjene AFM-a u istraživanju litij-ionskih baterija, uključujući promjene morfologije, nanomehanička svojstva i električna svojstva materijala elektroda u uvjetima elektrokemijske reakcije, što ukazuje da će AFM dodatno promicati napredak istraživanja litij-ionskih baterija .
Od pojave AFM tehnologije naširoko se koristi u analizi Li-ion baterija LIB. Njegova sposobnost niskog razaranja da detektira evoluciju morfologije i svojstava na nanometarskoj skali korisna je za dublje razumijevanje LIB-ova Li-ionskih baterija. Struktura i povezana svojstva anodnog materijala i SEI filma postavili su čvrste temelje za razvoj i istraživanje LIB-ova za litij-ionske baterije i dodatno potaknuli razvoj litij-ionskih baterija. U ovom radu, primjena i istraživački napredak AFM-a u istraživanju materijala pozitivnih i negativnih elektroda i SEI filmova razmatraju se s aspekta morfologije, mehaničkih svojstava i elektrokemijskih svojstava. Ove studije pokazuju da AFM ima još puno prostora za razvoj u istraživanju i primjeni Li-ion baterija. Osim toga, veliki broj studija otkrio je da mehaničko mjerenje AFM-a ima velike prednosti u odnosu na druge in situ tehnike karakterizacije, a ova metoda ima veliki potencijal u promatranju mehaničke i strukturne evolucije međufaze i elektroda u različitim uvjetima rada baterije. Konačno, razvoj dodatnih načina skeniranja u kombinaciji s drugim tehnikama detekcije otvara nove vidike za primjenu AFM-a.
