Application de la microscopie à force atomique dans la recherche de batteries Li-ion
Les batteries lithium-ion (LIB) sont actuellement les sources d'énergie de stockage d'énergie chimique à haut rendement les plus prometteuses en raison de leur énergie spécifique élevée, de leur longue durée de vie, de leurs performances de sécurité élevées et de leur protection de l'environnement. Ces dernières années, la direction de recherche des LIB s'est principalement concentrée sur la recherche et le développement de nouveaux matériaux d'électrode positive et négative à haut rendement, améliorant les performances de sécurité de la batterie en changeant l'électrolyte et améliorant la stabilité du film d'interface d'électrolyte solide (électrolyte solide interface, SEI) sur le matériau de l'électrode négative. Le film SEI fait référence à une couche de passivation recouvrant la surface du matériau d'électrode formé par la réaction de l'électrolyte et du matériau d'électrode à l'interface de phase solide-liquide pendant le premier processus de charge et de décharge des LIB. Le film SEI est un isolant électronique avec les caractéristiques d'un électrolyte solide, mais c'est aussi un excellent conducteur d'ions lithium, permettant aux ions lithium de s'intercaler et d'extraire librement dans cette couche, et sa stabilité a un grand impact sur la performance du cycle et la sécurité des batteries lithium-ion LIB. gros impact. Habituellement, la spectroscopie d'impédance électrochimique, la spectroscopie Raman, la spectroscopie photoélectronique à rayons X, l'AFM, etc. sont utilisées pour étudier la formation, le changement et la fonction des films SEI, parmi lesquels l'AFM joue un rôle extrêmement important dans l'étude de la formation, de la déformation et de la rupture de Films SEI. rôle important.
En 1982, l'avènement du microscope à effet tunnel (STM) a permis pour la première fois d'observer en temps réel l'arrangement des atomes individuels à la surface d'une substance et les propriétés physiques et chimiques liées à la fonction de densité électronique de surface. Cependant, le principe de fonctionnement du STM est d'utiliser le courant tunnel qui change de manière exponentielle avec la distance entre la sonde et la surface conductrice pour l'imagerie. Par conséquent, les matériaux que STM peut détecter doivent être conducteurs, ce qui limite son application. Afin de combler cette lacune, en 1986, BINNIG et d'autres ont inventé le microscope à force atomique (AFM) utilisant le principe de sonde du STM. L'AFM peut non seulement détecter les conducteurs, les matériaux semi-conducteurs, mais également les matériaux isolants, et peut analyser différentes propriétés physiques dans l'atmosphère, le vide, le liquide et d'autres environnements. Par conséquent, il a une grande importance dans la recherche en sciences des surfaces, en sciences des matériaux, en sciences de la vie et dans d'autres domaines. Grande importance et larges perspectives d'application.
Points d'innovation et problèmes résolus
En raison de sa densité d'énergie élevée, de sa durée de vie élevée, de sa sécurité et de nombreux autres avantages, les batteries lithium-ion sont les sources d'alimentation portables les plus populaires dans la vie moderne et ont de larges perspectives d'application. Afin de tirer pleinement parti du potentiel des batteries lithium-ion et de promouvoir leur application pratique, il est nécessaire d'étudier en profondeur le processus de réaction des électrodes. En tant qu'assistant puissant dans la recherche de batteries lithium-ion, la microscopie à force atomique (AFM) peut détecter la morphologie microscopique de la surface de l'électrode en temps réel grâce à l'interaction entre les atomes à la pointe de l'électrode et les atomes à la surface de l'électrode , et fournissent des informations physiques et chimiques sur la surface de l'électrode à l'échelle nanométrique. Il fournit une base expérimentale pour l'optimisation et la modification des matériaux d'électrodes et des électrolytes. Cet article passe en revue les derniers progrès de l'application de l'AFM dans la recherche sur les batteries lithium-ion, y compris les changements de morphologie, les propriétés nanomécaniques et les propriétés électriques des matériaux d'électrode dans des conditions de réaction électrochimique, indiquant que l'AFM favorisera davantage les progrès de la recherche sur les batteries lithium-ion. .
Depuis l'émergence de la technologie AFM, elle a été largement utilisée dans l'analyse des batteries Li-ion LIB. Sa capacité peu destructive à détecter l'évolution de la morphologie et des propriétés à l'échelle du nanomètre est utile pour une compréhension plus approfondie des batteries Li-ion LIB. La structure et les propriétés associées du matériau d'anode et du film SEI ont jeté une base solide pour le développement et la recherche de LIB pour les batteries lithium-ion, et ont encore favorisé le développement des batteries lithium-ion. Dans cet article, l'application et les progrès de la recherche de l'AFM dans la recherche de matériaux d'électrodes positives et négatives et de films SEI sont passés en revue sous les aspects de la morphologie, des propriétés mécaniques et des propriétés électrochimiques. Ces études indiquent que l'AFM a encore beaucoup de place pour le développement dans la recherche et l'application des batteries Li-ion. De plus, un grand nombre d'études ont montré que la mesure mécanique de l'AFM présente de grands avantages par rapport aux autres techniques de caractérisation in situ, et cette méthode a un grand potentiel pour observer l'évolution mécanique et structurelle de l'interphase et des électrodes dans différentes conditions de fonctionnement de la batterie. Enfin, le développement de modes de balayage supplémentaires en conjonction avec d'autres techniques de détection ouvre de nouvelles perspectives pour l'application de l'AFM.
