原子力顯微鏡（AFM）特別適合作為鋰離子電池研究的工具，以解決提高電池容量、電能密度、壽命和安全性的關鍵挑戰。從根本上講，電池是一種電化學結構， AFM 可以直接在原位操作中探測電極表面的變化，甚至可以測量局部電化學活性的變化。例如，使用 AFM 對高容量鋰離子陽極進行研究可以幫助了解固體電解質界面（SEI）層的演變和降解，這種演變和降解限制了電能密度和電池壽命。在陰極處，相關的電學和機械特性可以量化成分分布，表征導電率變化，并精準確定限制電池容量的非活性金屬氧化物晶粒。最后，在拉伸臺上對分離膜進行AFM成像，可對枝晶生長導致災難性破壞時的斷裂機理提供深入了解。

在存在電解質的情況下，能夠原位測量局部電化學活性和表面導電率，這對于表征其它能量存儲和轉換方法（如超級電容器、燃料電池和太陽能）也同樣有用。

采用 DCUBE-TUNA 研究鋰金屬氧化物、聚合物粘合劑和導電碳納米顆粒構成的電池正極：（a）表面形貌；（b）對區分不同疇結構的表面剛度進行定量化；（c）定量化模量圖；（d）TUNA電流切片。

主要功能：

1、使用 EC-AFM 在陽極充電循環過程中進行原位操作表征

2、使用 PeakForce QNM® 對高容量陽極上的 SEI 層進行定量研究

3、使用 PeakForce SECM® 直接探測局部電化學活動

4、采用 DataCube® 模式進行多模式陰極表征

5、EC-AFM、SECM 及手套箱集成的解決方案

陽極 – 原位操作成像

鋰離子電池的壽命很大程度上取決于鈍化 SEI 層的形成和演變。所面臨的挑戰在于電池充放電期間電極體積會發生很大變化，從而導致 SEI 層發生相當大的變形，特別是對于高容量陽極。理想的實驗是在電池工作狀態中直接探測脆弱的 SEI 層，這種靈巧的操作曾被認為是非常困難的。此處顯示的一組圖像就采用了上述操作，來自與布朗大學的 Sheldon 小組合作的成果。圖中顯示了采用 PeakForce QNM 在配有電化學電池的 Dimension Icon® 一體式手套箱中觀察到的圖案化 Si 陽極。實驗直接觀察到鋰化過程中 SEI 層中裂紋的形成。對多個充放電周期的力降解進行跟蹤，結果表明初始裂紋無法修復，這與之前的猜測相矛盾。

SEI 層斷裂和脫黏的原位觀察。

陰極 – 多模式表征

鋰離子陰極是一種復雜的異質混合物，其所包含的金屬氧化物顆粒用于在放電狀態下存儲鋰離子，由混有碳黑材料的可適應體積變化的聚合物粘合劑材料所包覆，以保持高導電率，從而保持高電能密度的能力。此處的圖像系列顯示了 Dimension Icon XR 上的 DataCube SSRM 如何幫助組元分布成像并揭示顆粒間劇烈的變化。此處DataCube模式下可用的模量圖將硬質金屬氧化物顆粒與周圍的軟粘合劑區清晰地區分開來，而同時獲得的導電率圖則揭示了碳黑分布的不均一性。可以看到，圖像頂部邊緣附近的一個顆粒未被碳黑覆蓋，并且從同一數據立方體提取的一組導電率圖像將該顆粒識別為已失活，即在整個工作電壓范圍內處于非活動狀態。

在選定采樣電壓范圍下，鋰金屬氧化物構成的電池正極TUNA 電流切片連續成像。掃描區域為 15x15 μm2。

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