Ứng dụng kính hiển vi lực nguyên tử trong nghiên cứu pin Li-ion
Pin lithium-ion (LIB) hiện là nguồn năng lượng lưu trữ năng lượng hóa học hiệu quả cao hứa hẹn nhất do năng lượng riêng cao, vòng đời dài, hiệu suất an toàn cao và bảo vệ môi trường. Trong những năm gần đây, hướng nghiên cứu của LIB chủ yếu tập trung vào nghiên cứu và phát triển các vật liệu điện cực dương và âm hiệu quả cao mới, cải thiện hiệu suất an toàn của pin bằng cách thay đổi chất điện phân và cải thiện tính ổn định của màng giao diện chất điện phân rắn (chất điện phân rắn giao diện, SEI) trên vật liệu điện cực âm. Màng SEI đề cập đến một lớp thụ động bao phủ bề mặt của vật liệu điện cực được hình thành do phản ứng của chất điện phân và vật liệu điện cực ở giao diện pha rắn-lỏng trong quá trình sạc và xả đầu tiên của LIB. Màng SEI là một chất cách điện điện tử với các đặc tính của chất điện phân rắn, nhưng nó cũng là chất dẫn tuyệt vời của các ion lithium, cho phép các ion lithium được xen kẽ và chiết xuất tự do trong lớp này, và tính ổn định của nó có tác động lớn đến hiệu suất chu kỳ và sự an toàn của LIB pin lithium-ion. tác động lớn. Thông thường, các phương pháp quang phổ trở kháng điện hóa, quang phổ Raman, quang điện tử tia X, AFM,... được sử dụng để nghiên cứu sự hình thành, biến đổi và chức năng của màng SEI, trong đó AFM đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc nghiên cứu sự hình thành, biến dạng và đứt gãy của màng. phim SEI. vai trò quan trọng.
Năm 1982, sự ra đời của kính hiển vi quét chui hầm (STM) lần đầu tiên có thể quan sát trong thời gian thực sự sắp xếp của các nguyên tử riêng lẻ trên bề mặt của một chất và các tính chất vật lý và hóa học liên quan đến hàm mật độ electron bề mặt. Tuy nhiên, nguyên tắc làm việc của STM là sử dụng dòng điện xuyên hầm thay đổi theo cấp số nhân với khoảng cách giữa đầu dò và bề mặt dẫn điện để chụp ảnh. Do đó, các vật liệu mà STM có thể phát hiện phải có tính dẫn điện, điều này hạn chế ứng dụng của nó. Để bù đắp cho sự thiếu hụt này, vào năm 1986, BINNIG và những người khác đã phát minh ra kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) sử dụng nguyên lý thăm dò của STM. AFM không chỉ có thể phát hiện chất dẫn điện, vật liệu bán dẫn mà còn cả vật liệu cách điện và có thể phân tích các tính chất vật lý khác nhau trong khí quyển, chân không, chất lỏng và các môi trường khác. Do đó, nó có ý nghĩa to lớn trong nghiên cứu khoa học bề mặt, khoa học vật liệu, khoa học đời sống và các lĩnh vực khác. Ý nghĩa to lớn và triển vọng ứng dụng rộng rãi.
Điểm đổi mới và vấn đề được giải quyết
Do mật độ năng lượng cao, tuổi thọ cao, an toàn và nhiều ưu điểm khác, pin lithium-ion là nguồn năng lượng di động phổ biến nhất trong cuộc sống hiện đại và có triển vọng ứng dụng rộng rãi. Để phát huy hết tiềm năng của pin lithium-ion và thúc đẩy ứng dụng thực tế của chúng, cần phải nghiên cứu sâu về quá trình phản ứng điện cực. Là trợ thủ đắc lực trong việc nghiên cứu pin lithium-ion, kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) có thể phát hiện hình thái vi mô của bề mặt điện cực theo thời gian thực thông qua sự tương tác giữa các nguyên tử ở đầu điện cực và các nguyên tử trên bề mặt điện cực. , và cung cấp thông tin vật lý và hóa học trên bề mặt điện cực ở quy mô nanomet. Nó cung cấp cơ sở thực nghiệm để tối ưu hóa và sửa đổi vật liệu điện cực và chất điện phân. Bài báo này đánh giá tiến độ ứng dụng mới nhất của AFM trong nghiên cứu pin lithium-ion, bao gồm những thay đổi về hình thái, tính chất cơ nano và tính chất điện của vật liệu điện cực trong điều kiện phản ứng điện hóa, cho thấy AFM sẽ thúc đẩy hơn nữa tiến độ nghiên cứu pin lithium-ion .
Kể từ khi công nghệ AFM xuất hiện, nó đã được sử dụng rộng rãi trong phân tích LIB pin Li-ion. Khả năng phá hủy thấp của nó để phát hiện sự phát triển của hình thái và tính chất ở quy mô nanomet rất hữu ích để hiểu sâu hơn về LIB của pin Li-ion. Cấu trúc và các đặc tính liên quan của vật liệu cực dương và màng SEI đã đặt nền tảng vững chắc cho việc phát triển và nghiên cứu LIB cho pin lithium-ion, đồng thời thúc đẩy hơn nữa sự phát triển của pin lithium-ion. Trong bài báo này, ứng dụng và tiến độ nghiên cứu của AFM trong nghiên cứu vật liệu điện cực âm, dương và màng SEI được xem xét từ các khía cạnh hình thái, tính chất cơ học và tính chất điện hóa. Những nghiên cứu này chỉ ra rằng AFM vẫn còn rất nhiều cơ hội phát triển trong việc nghiên cứu và ứng dụng pin Li-ion. Ngoài ra, một số lượng lớn các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng phép đo cơ học của AFM có lợi thế lớn so với các kỹ thuật mô tả đặc tính tại chỗ khác và phương pháp này có tiềm năng lớn trong việc quan sát sự phát triển cơ học và cấu trúc của xen kẽ và điện cực trong các điều kiện vận hành pin khác nhau. Cuối cùng, sự phát triển của các chế độ quét bổ sung kết hợp với các kỹ thuật phát hiện khác sẽ mở ra những triển vọng mới cho ứng dụng AFM.
