納米尺度|掃描電鏡用原位AFM探測系統(tǒng)助力鋰離子電池老化過程原位研究

【期刊】

Journal of Power Sources IF=9.13

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230459

【成果簡介】

鋰離子電池現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于數(shù)碼產(chǎn)品，醫(yī)療器械，和汽車等眾多域?？墒?，在使用鋰離子電池的過程中，鋰電池的性能會(huì)隨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)的老化而降低。這問題會(huì)導(dǎo)致使用鋰離子電池的成本增高。為了更加深入地了解鋰離子電池在使用過程中老化的細(xì)節(jié)。奧地林茨大學(xué)Gramse教授課題組近日用掃描電鏡用原位AFM探測系統(tǒng)AFSEM對鋰離子電池老化過程中電表面的形貌和導(dǎo)電性的變化進(jìn)行了納米尺度的原位研究，其成果發(fā)表在Journal of Power Sources上。

AFSEM™—使AFM和SEM合二為：

? 實(shí)現(xiàn)AFM和SEM的功能性互補(bǔ)

? 讓SEM實(shí)現(xiàn)樣品的真實(shí)三維形貌成像

? 在掃描電鏡中進(jìn)行AFM原位分析

? 無需激光和探測器，適用于任何樣品表面

? 完·美適配SEM不妨礙正常的操作

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 用不同尺度和方法來研究鋰離子電池的電化學(xué)表現(xiàn)。A）用電化學(xué)阻抗譜（EIS），電池循環(huán)和容量測試的方法研究鋰離子電池的老化問題。 B)用電化學(xué)相關(guān)有限元的方法來研究電池的EIS表現(xiàn)。C）用AFM，AFSEM和SEM等表征手段研究電池循環(huán)后的納米尺度上的彼變化。

圖2 電化學(xué)循環(huán)次數(shù)，充電狀態(tài)和循環(huán)溫度對鋰離子電池阻抗譜的影響。A）電池不同循環(huán)次數(shù)后阻抗譜的變化。B）充電600次后，24℃條件下的電池阻抗譜。C）不同溫度下，循環(huán)100次后電池阻抗譜的研究。

圖3 鋰離子電池的有限元模型。A）鋰離子電池的維有限元模型。B)不同薄膜阻抗下模擬的電化學(xué)阻抗值。C)電化學(xué)阻抗模擬值隨著雙層電容的變化。D)不同電材料顆粒大小對電化學(xué)阻抗模擬值的影響。

圖4 電池經(jīng)過循環(huán)后，SEM和AFSEM對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原位微納表征。A）經(jīng)過不同次數(shù)的循環(huán)后，石墨陽表面的電子掃描成像。B）AFSEM對不同循環(huán)次數(shù)的陽表面形貌進(jìn)行原位表征。C) AFSEM對不同循環(huán)次數(shù)的陰表面形貌進(jìn)行原位表征。

圖5 用AFSEM多功能探針對不同老化階段的陽材料進(jìn)行表征。A）為AFSEM原子力顯微鏡掃描獲得的形貌圖。B）掃描微波顯微鏡對樣品表征結(jié)果。C）AFSEM提供的樣品納米尺度的直流電導(dǎo)率測量。

【文章總結(jié)】

奧地林茨大學(xué)Gramse教授課題組用AFSEM對老化鋰離子電池電表面進(jìn)行了納米尺度的原位分析。這是因?yàn)?strong style="box-sizing: border-box;">AFSEM可以在電子顯微鏡所需的真空環(huán)境下運(yùn)行。在獲得電子顯微成像的基礎(chǔ)上，還可以獲得樣品表面形貌的信息。除此之外，AFSEM的多功能探針，也可以對樣品指·定區(qū)域的磁性，電學(xué)，力學(xué)，熱學(xué)性能進(jìn)行微納尺度的表征。