島津原子力顯微鏡

鋰離子電池

鋰離子電池廣泛用于數(shù)碼相機和手機等小型電子設(shè)備以及混合動力汽車和電動汽車中。鋰離子電池由陰極、陽極、隔膜和電解質(zhì)組成，其中構(gòu)成陰極和陽極的粉末狀材料往往通過粘合劑保持聚集狀態(tài)。

常用的負(fù)極材料是石墨，但近年來硅(Si) 因其理論容量高于石墨活而被視為下一代負(fù)極材料。但是由于Si負(fù)極材料在充放電過程中隨著Li離子的進(jìn)出而顯著膨脹和收縮，因此Si材料的短板是容易破裂且壽命短。為了彌補這個問題，需要選擇合適的硬粘合劑以牢固地粘合Si材料。

我們設(shè)置了兩種環(huán)境觀察Si負(fù)極材料的不同，一種是現(xiàn)實中鋰電池使用的電解液，另一種是N2氣體環(huán)境。樣品由附著在玻璃基板上的三種聚丙烯酸粘合劑(1)、(2)和(3)組成。在電解液環(huán)境為(A)，N2氣體環(huán)境為(B)中進(jìn)行觀。

(A)將樣品在含有1mol/LLiPF6的碳酸二甲酯(DMC)和碳酸亞乙酯(EC)的混合溶液中浸泡24小時。24小時后進(jìn)行觀察，同時樣品仍浸入電解液中。

(B)將上述樣品置于密閉環(huán)境控制室中，用N2置換室內(nèi)氣氛后，在N2氣體中進(jìn)行觀察。

實驗結(jié)果如上圖所示。

(A)在電解液中的樣品(1)上觀察到約10nm的突起，而樣品(2)和(3)都是平坦的。該結(jié)果表明樣品（粘合劑）（2）和（3）均勻分布在電解液中。

(B)在N2氣體中觀察時，樣品(1)和(2)是平坦的，但在樣品(3)上觀察到20nm的突起。該結(jié)果不同于在電解質(zhì)中觀察到的結(jié)果，并證明了在實際用例環(huán)境中進(jìn)行測量的重要性。

除了粘合劑外，鋰電池正極或負(fù)極材料中，還會添加導(dǎo)電劑以增強電荷的傳輸效率。因此，使用原子力顯微鏡的電流模式，還可以觀察使用不同導(dǎo)電劑時對導(dǎo)電效果的提升。

如上圖所示，對添加了兩種不同導(dǎo)電劑的正極材料，分別進(jìn)行表面形貌和導(dǎo)電性觀察。上側(cè)的黃褐色圖像為形貌圖，下側(cè)藍(lán)色背景的圖像為電流圖。

可以看到，樣品1明顯具有更大的粗糙度，但同時電流圖上表征電流分布和強度的紅黃色點狀凸起也更多更密集。由此可以判斷樣品1使用的導(dǎo)電劑更有利于電荷的傳輸。

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