Aplicación de la microscopía de fuerza atómica en la investigación de baterías de iones de litio
Las baterías de iones de litio (LIB) son actualmente las fuentes de energía de almacenamiento de energía química de alta eficiencia más prometedoras debido a su alta energía específica, ciclo de vida prolongado, alto rendimiento de seguridad y protección ambiental. En los últimos años, la dirección de investigación de LIB se ha centrado principalmente en la investigación y el desarrollo de nuevos materiales de electrodos positivos y negativos de alta eficiencia, mejorando el rendimiento de seguridad de la batería cambiando el electrolito y mejorando la estabilidad de la película de interfaz de electrolito sólido (electrolito sólido). interfaz, SEI) en el material del electrodo negativo. La película SEI se refiere a una capa de pasivación que cubre la superficie del material del electrodo formado por la reacción del electrolito y el material del electrodo en la interfaz de fase sólido-líquido durante el primer proceso de carga y descarga de LIB. La película SEI es un aislante electrónico con las características de un electrolito sólido, pero también es un excelente conductor de iones de litio, lo que permite que los iones de litio se intercalen y extraigan libremente en esta capa, y su estabilidad tiene un gran impacto en el rendimiento del ciclo. y seguridad de las baterías de iones de litio LIBs. gran impacto. Por lo general, la espectroscopia de impedancia electroquímica, la espectroscopia Raman, la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, AFM, etc. se utilizan para estudiar la formación, el cambio y la función de las películas SEI, entre las cuales AFM juega un papel extremadamente importante en el estudio de la formación, deformación y ruptura de Películas SEI. papel importante.
En 1982, la llegada del microscopio de túnel de barrido (STM) hizo posible por primera vez observar en tiempo real la disposición de los átomos individuales en la superficie de una sustancia y las propiedades físicas y químicas relacionadas con la función de densidad electrónica de la superficie. Sin embargo, el principio de funcionamiento de STM es utilizar la corriente de tunelización que cambia exponencialmente con la distancia entre la sonda y la superficie conductora para obtener imágenes. Por lo tanto, los materiales que STM puede detectar deben ser conductores, lo que limita su aplicación. Para compensar esta deficiencia, en 1986, BINNIG y otros inventaron el microscopio de fuerza atómica (AFM) utilizando el principio de sonda de STM. AFM no solo puede detectar conductores, materiales semiconductores, sino también materiales aislantes, y puede analizar diferentes propiedades físicas en la atmósfera, el vacío, los líquidos y otros entornos. Por lo tanto, tiene una gran importancia en la investigación de la ciencia de la superficie, la ciencia de los materiales, la ciencia de la vida y otros campos. Gran importancia y amplias perspectivas de aplicación.
Puntos de innovación y problemas resueltos
Debido a su alta densidad de energía, alto ciclo de vida, seguridad y muchas otras ventajas, las baterías de iones de litio son las fuentes de energía portátiles más populares en la vida moderna y tienen amplias perspectivas de aplicación. Para aprovechar al máximo el potencial de las baterías de iones de litio y promover su aplicación práctica, es necesario estudiar en profundidad el proceso de reacción de los electrodos. Como poderoso asistente en la investigación de baterías de iones de litio, la microscopía de fuerza atómica (AFM) puede detectar la morfología microscópica de la superficie del electrodo en tiempo real a través de la interacción entre los átomos en la punta del electrodo y los átomos en la superficie del electrodo. , y proporcionan información física y química sobre la superficie del electrodo a escala nanométrica. Proporciona una base experimental para la optimización y modificación de materiales de electrodos y electrolitos. Este documento revisa el último progreso de la aplicación de AFM en la investigación de baterías de iones de litio, incluidos los cambios de morfología, las propiedades nanomecánicas y las propiedades eléctricas de los materiales de los electrodos en condiciones de reacción electroquímica, lo que indica que AFM promoverá aún más el progreso de la investigación de las baterías de iones de litio. .
Desde el surgimiento de la tecnología AFM, se ha utilizado ampliamente en el análisis de LIB de baterías de iones de litio. Su capacidad de baja destrucción para detectar la evolución de la morfología y las propiedades a escala nanométrica es útil para una comprensión más profunda de las LIB de las baterías de iones de litio. La estructura y las propiedades relacionadas del material del ánodo y la película SEI han sentado una base sólida para el desarrollo y la investigación de LIB para baterías de iones de litio y promovieron aún más el desarrollo de baterías de iones de litio. En este artículo, se revisa la aplicación y el progreso de la investigación de AFM en la investigación de materiales de electrodos positivos y negativos y películas SEI desde los aspectos de morfología, propiedades mecánicas y propiedades electroquímicas. Estos estudios indican que AFM todavía tiene mucho espacio para el desarrollo en la investigación y aplicación de baterías de iones de litio. Además, un gran número de estudios han encontrado que la medición mecánica de AFM tiene grandes ventajas sobre otras técnicas de caracterización in situ, y este método tiene un gran potencial para observar la evolución mecánica y estructural de la interfase y los electrodos bajo diferentes condiciones de funcionamiento de la batería. Finalmente, el desarrollo de modos de escaneo adicionales junto con otras técnicas de detección abre nuevas perspectivas para la aplicación de AFM.
