島津原子力顯微鏡

鉛酸電池

以鉛酸電池和鋰離子電池為代表的二次電池，為了提高充放電特性、耐久性等性能，一般會(huì)向電解液中添加添加劑。到目前為止，已有種類繁多而且性能優(yōu)異的添加劑被廣泛使用到各類二次電池中。然而，迄今為止，這些添加劑如何提高電池性能的原理仍不甚明了。觀察電解質(zhì)中負(fù)極附近的界面狀態(tài)對(duì)于闡明添加劑的貢獻(xiàn)很重要。

鉛酸電池是一種具有多種優(yōu)點(diǎn)的二次電池，包括出色的安全性、寬工作溫度范圍和大電流放電。由于這些原因，它們被廣泛應(yīng)用于不間斷電源（UPS）設(shè)備、公共設(shè)施應(yīng)急電源設(shè)備以及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟停系統(tǒng)的啟動(dòng)電池，成為社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施*的一部分。然而，鉛酸電池在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生負(fù)極的硫酸鹽化，并因此導(dǎo)致電池性能劣化。在電解液中增加添加劑可以緩解這一問(wèn)題?；腔举|(zhì)素是一種具有代表性的添加劑。然而，但木質(zhì)素如何促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)和硫酸化的緩解直到現(xiàn)在仍未闡明。

SPM-8100FM使用調(diào)頻(FM)方法可以檢測(cè)到比傳統(tǒng)原子力顯微鏡(AFM)更小的力。因此使用SPM-8100FM高分辨率原子力顯微鏡和電化學(xué)溶液電池，觀察稀硫酸環(huán)境下鉛的固液界面狀態(tài)，有助于理解添加劑的作用原理。

以上兩張圖顯示了在初始還原反應(yīng)后對(duì)垂直于鉛表面的截面進(jìn)行成像得到的負(fù)極(鉛)固液界面處的圖像。圖像的上半部分是電解液，圖像下半部分變暗的位置是鉛表面。探針檢測(cè)到力（排斥力）的部分看起來(lái)很亮。

在左圖僅有稀硫酸的情況下，在鉛表面上方?jīng)]有觀察到明顯的特異變化。但在右圖中，使用“稀硫酸+木質(zhì)素”的情況下，可以在鉛表面上方看到明顯的不同亮度分層，如圖中紅色箭頭所示區(qū)域。判斷該層為木質(zhì)素-鉛絡(luò)合物，該層的存在有助于鉛表面硫酸化程度降低，從而有效抑制了硫酸鉛的結(jié)晶形成。木質(zhì)素-鉛層的與鉛表面、液體部分的不同亮度對(duì)比表明探針已經(jīng)深入到該層中，同時(shí)也表明木質(zhì)素-鉛層以柔軟的狀態(tài)吸附在鉛表面。這是使用原子力顯微鏡第一次在鉛表面上看到厚度為50nm至100nm的木質(zhì)素-鉛層。

該實(shí)驗(yàn)證明了用高分辨原子力顯微鏡對(duì)電化學(xué)表面進(jìn)行觀察的可能性，有助于獲得更多的電催化過(guò)程中界面處的信息，從而提高我們對(duì)反應(yīng)過(guò)程的理解。因此可以期待利用SPM-8100FM進(jìn)行電解質(zhì)的界面成像來(lái)分析其他類型的二次電池充放電過(guò)程固液界面處的狀態(tài)變化。

SPM-8100FM

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