Anwendung der Rasterkraftmikroskopie in der Forschung an Li-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind derzeit aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie, langen Lebensdauer, hohen Sicherheitsleistung und ihres Umweltschutzes die vielversprechendsten hocheffizienten Energiequellen für die chemische Energiespeicherung. In den letzten Jahren konzentrierte sich die Forschungsrichtung von LIBs hauptsächlich auf die Forschung und Entwicklung neuer hocheffizienter positiver und negativer Elektrodenmaterialien, die Verbesserung der Batteriesicherheitsleistung durch Austausch des Elektrolyten und die Verbesserung der Stabilität des Festelektrolyt-Grenzflächenfilms (Festelektrolyt). Grenzfläche (SEI) auf dem Material der negativen Elektrode. Der SEI-Film bezieht sich auf eine Passivierungsschicht, die die Oberfläche des Elektrodenmaterials bedeckt und durch die Reaktion des Elektrolyten und des Elektrodenmaterials an der Fest-Flüssig-Phasengrenzfläche während des ersten Lade- und Entladevorgangs von LIBs entsteht. Der SEI-Film ist ein elektronischer Isolator mit den Eigenschaften eines Festelektrolyten, aber er ist auch ein ausgezeichneter Leiter für Lithiumionen, wodurch Lithiumionen frei in dieser Schicht interkaliert und extrahiert werden können, und seine Stabilität hat einen großen Einfluss auf die Zyklusleistung und Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien LIBs. Großer Einfluss. Normalerweise werden elektrochemische Impedanzspektroskopie, Raman-Spektroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie, AFM usw. verwendet, um die Bildung, Veränderung und Funktion von SEI-Filmen zu untersuchen, wobei AFM eine äußerst wichtige Rolle bei der Untersuchung der Bildung, Verformung und des Bruchs von SEI-Filmen spielt SEI-Filme. wichtige Rolle.
Mit der Einführung des Rastertunnelmikroskops (STM) im Jahr 1982 war es erstmals möglich, die Anordnung einzelner Atome auf der Oberfläche einer Substanz sowie die physikalischen und chemischen Eigenschaften im Zusammenhang mit der Oberflächenelektronendichtefunktion in Echtzeit zu beobachten. Das Funktionsprinzip von STM besteht jedoch darin, den Tunnelstrom, der sich exponentiell mit dem Abstand zwischen der Sonde und der leitenden Oberfläche ändert, für die Bildgebung zu nutzen. Daher müssen die Materialien, die STM erkennen kann, leitfähig sein, was ihre Anwendung einschränkt. Um diesen Mangel auszugleichen, erfanden BINNIG und andere 1986 das Rasterkraftmikroskop (AFM), das das Sondenprinzip des STM nutzte. AFM kann nicht nur Leiter, Halbleitermaterialien, sondern auch Isolatormaterialien erkennen und verschiedene physikalische Eigenschaften in der Atmosphäre, im Vakuum, in Flüssigkeiten und anderen Umgebungen analysieren. Daher ist es für die Forschung in den Bereichen Oberflächenwissenschaften, Materialwissenschaften, Biowissenschaften und anderen Bereichen von großer Bedeutung. Große Bedeutung und breite Anwendungsaussichten.
Innovationspunkte und gelöste Probleme
Aufgrund ihrer hohen Energiedichte, langen Zyklenlebensdauer, Sicherheit und vielen anderen Vorteilen sind Lithium-Ionen-Batterien die beliebtesten tragbaren Energiequellen im modernen Leben und haben breite Anwendungsaussichten. Um das Potenzial von Lithium-Ionen-Batterien voll auszuschöpfen und ihre praktische Anwendung zu fördern, ist es notwendig, den Elektrodenreaktionsprozess eingehend zu untersuchen. Als leistungsstarker Assistent bei der Erforschung von Lithium-Ionen-Batterien kann die Rasterkraftmikroskopie (AFM) die mikroskopische Morphologie der Elektrodenoberfläche in Echtzeit durch die Wechselwirkung zwischen den Atomen an der Elektrodenspitze und den Atomen auf der Elektrodenoberfläche erfassen und liefern physikalische und chemische Informationen über die Elektrodenoberfläche im Nanometerbereich. Es bietet eine experimentelle Grundlage für die Optimierung und Modifikation von Elektrodenmaterialien und Elektrolyten. In diesem Artikel werden die neuesten Anwendungsfortschritte von AFM in der Forschung an Lithium-Ionen-Batterien untersucht, einschließlich der Morphologieänderungen, nanomechanischen Eigenschaften und elektrischen Eigenschaften von Elektrodenmaterialien unter elektrochemischen Reaktionsbedingungen, was darauf hindeutet, dass AFM den Forschungsfortschritt von Lithium-Ionen-Batterien weiter vorantreiben wird .
Seit dem Aufkommen der AFM-Technologie wird sie häufig bei der Analyse von Li-Ionen-Batterie-LIBs eingesetzt. Seine zerstörungsarme Fähigkeit, die Entwicklung von Morphologie und Eigenschaften im Nanometerbereich zu erfassen, ist hilfreich für ein tieferes Verständnis von Li-Ionen-Batterie-LIBs. Die Struktur und die damit verbundenen Eigenschaften des Anodenmaterials und des SEI-Films haben eine solide Grundlage für die Entwicklung und Forschung von LIBs für Lithium-Ionen-Batterien gelegt und die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien weiter vorangetrieben. In diesem Artikel werden die Anwendung und der Forschungsfortschritt von AFM bei der Erforschung von positiven und negativen Elektrodenmaterialien und SEI-Filmen unter den Aspekten Morphologie, mechanische Eigenschaften und elektrochemische Eigenschaften untersucht. Diese Studien zeigen, dass AFM bei der Erforschung und Anwendung von Li-Ionen-Batterien noch viel Entwicklungspotenzial hat. Darüber hinaus wurde in einer Vielzahl von Studien festgestellt, dass die mechanische AFM-Messung große Vorteile gegenüber anderen In-situ-Charakterisierungstechniken bietet und dass diese Methode ein großes Potenzial für die Beobachtung der mechanischen und strukturellen Entwicklung von Interphase und Elektroden unter verschiedenen Batteriebetriebsbedingungen bietet. Schließlich eröffnet die Entwicklung zusätzlicher Scanmodi in Verbindung mit anderen Detektionstechniken neue Perspektiven für die Anwendung von AFM.
