原子力顯微鏡在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

高 翔，朱紫瑞

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原子力顯微鏡在鋰離子電池研究中的應(yīng)用

高 翔1，朱紫瑞2

（1西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710127；2西北大學(xué)文化遺產(chǎn)學(xué)院，陜西 西安 710127）

鋰離子電池由于具有高能量密度、高循環(huán)壽命、安全等諸多優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代生活中最受歡迎的便攜式電源，有著廣闊的應(yīng)用前景。為了充分發(fā)揮鋰離子電池的潛力，推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程，需要深入研究電極反應(yīng)歷程。作為鋰離子電池研究的得力助手，原子力顯微鏡（AFM）能通過其針尖原子與電極表面原子之間的相互作用，實(shí)時(shí)檢測電極表面的微觀形貌，在納米尺度上提供電極表面的物理化學(xué)信息，為電極材料和電解液的優(yōu)化改性提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文綜述了AFM在鋰離子電池研究中的最新應(yīng)用進(jìn)展，包括電化學(xué)反應(yīng)條件下電極材料的形貌變化、納米力學(xué)性能和電學(xué)性能等，說明AFM將會進(jìn)一步推動鋰離子電池的研究進(jìn)展。

原子力顯微鏡；鋰離子電池；固體電解質(zhì)界面膜；負(fù)極材料；正極材料

鋰離子電池（LIBs）由于具有比能量高、循環(huán)壽命長、安全性能高和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是目前最具發(fā)展前景的高效化學(xué)儲能電源。近年來，LIBs的研究方向主要集中在新型高效正、負(fù)極材料的研發(fā)、通過改變電解質(zhì)來提升電池安全性能、以及提高負(fù)極材料上在固體電解質(zhì)界面膜（solid electrolyte interface，SEI）穩(wěn)定性等方面。SEI膜是指在LIBs首次充放電過程中，電解液與電極材料在固-液相界面反應(yīng)形成的一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層[1]。SEI膜是電子絕緣體，具有固體電解質(zhì)的特征，但又是鋰離子的優(yōu)良導(dǎo)體，可以讓鋰離子在該層自由地嵌入和脫出，其穩(wěn)定性對鋰離子電池LIBs的循環(huán)性能和安全性有極大的影響。通常會使用電化學(xué)阻抗光譜儀、拉曼光譜儀器、X射線光電子光譜儀、AFM等來對SEI膜的形成、變化和功能進(jìn)行研究，其中AFM在研究SEI膜的形成、形變和破裂過程上起著極為重要的作用。

1982年，掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscope，STM）[2-4]的問世，使得人們首次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)以及與表面電子密態(tài)函數(shù)有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)[5]。但STM的工作原理是利用探針和導(dǎo)電表面之間隨距離呈指數(shù)變化的隧穿電流來進(jìn)行成像[2]，因此STM能夠檢測的材料必須具備導(dǎo)電性，這使其在應(yīng)用上有所限制。為了彌補(bǔ)這一不足，1986年BINNIG等[6]利用STM的探針原理又發(fā)明了原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）。AFM既可以對導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料進(jìn)行檢測，也可以檢測絕緣體材料，并可以在大氣、真空、液相等環(huán)境中進(jìn)行不同物性分 析[7-8]，因此在表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域的研究中有著重大的意義和廣闊的應(yīng)用前景。

1 AFM的工作原理和成像模式

1.1 AFM的工作原理

AFM主要由探針、壓電陶瓷掃描管、反饋控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件4部分組成[9]，當(dāng)探針針尖原子與樣品表面原子足夠接近時(shí)，它們之間的作用力會隨著距離的變化而變化。其作用力與距離的關(guān)系如圖1所示[10]，當(dāng)原子與原子很接近時(shí)，先出現(xiàn)吸引力（范德瓦爾斯力），當(dāng)原子與原子再逐步靠近時(shí)，彼此電子云之間將產(chǎn)生靜電排斥力，由于該斥力 比吸引力增長快，因此合力將快速地由吸引力轉(zhuǎn) 變?yōu)槌饬?。在掃描過程中AFM通過檢測探針微懸臂方向的形變，或者記錄針尖移動的軌跡來進(jìn)行成像。

圖1 作用力與針尖-樣品間距離的關(guān)系[10]

1.2 AFM的成像模式

根據(jù)成像時(shí)針尖與樣品間的距離以及主要作用力的形式不同，AFM主要分為以下3種成像模 式[11]：①接觸模式。在該模式的整個(gè)掃描成像過程中，探針針尖始終與樣品表面保持接觸，反饋系統(tǒng)使探針懸臂梁的受力保持恒定，針尖尖端在樣品表面進(jìn)行掃描，通過記錄保持恒定力所需的電壓進(jìn)行成像；②輕敲模式。該模式中懸臂梁在其共振頻率附近振蕩，并監(jiān)測其振幅。從一個(gè)自由振幅開始，當(dāng)懸臂梁接近樣品并開始撞擊其表面時(shí)，振幅就會衰減。通過記錄保持恒定振幅所需的反饋信號就能獲得樣品的表面形貌圖；③非接觸模式。該模式在成像時(shí)，探針始終不與樣品表面接觸，探針懸臂在樣品表面上方幾納米內(nèi)進(jìn)行掃描，通過保持微懸臂共振頻率或振幅恒定來控制針尖與樣品之間的距離。針尖與樣品間的作用力是處在吸引力區(qū)域內(nèi)較弱的長程范德瓦爾斯力，為了提高信噪比，通常會在針尖上施加一個(gè)微小的高頻振蕩信號來檢測其微小的作用力。

目前在以上3種基本成像模式的基礎(chǔ)上，AFM又衍生出許多細(xì)分的成像模式，如扭轉(zhuǎn)共振模 式[12-13]、Peak Force Tapping模式[14-15]等，能夠檢測更多物理量（表1）。

表1 幾種常見的AFM成像模式及其特點(diǎn)

2 在固體電解質(zhì)界面膜（solid electrolyte interface，SEI）中的應(yīng)用

2.1 SEI膜的形成和變化

SEI膜具有固體電解質(zhì)的特征，是電子絕緣體，但離子可以經(jīng)過該層自由地嵌入和脫出，其穩(wěn)定性對鋰離子電池LIBs的循環(huán)性能和安全性有極大的影響。通常會使用電化學(xué)阻抗光譜儀、拉曼光譜儀器、X射線光電子光譜儀、AFM等來對SEI膜的形成、變化和功能進(jìn)行研究，其中AFM在研究SEI膜的形成、形變和破裂過程上起著極為重要的作用。

AFM能夠在電化學(xué)反應(yīng)條件下實(shí)時(shí)檢測到有關(guān)鋰離子擴(kuò)散、電子遷移、電極-電解液界面反應(yīng)，以及SEI膜形成、形變和破裂的信息，這些信息為研究SEI膜提供了可靠依據(jù)。LUCAS等[16]通過原位AFM和循環(huán)伏安法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電位>0.7 V（Sn-Li合金化電位）時(shí)，在碳酸乙烯基電解液中錫箔電極上開始形成SEI膜，電位在2.5 V時(shí)SEI膜初步形成。LIU等[17]對單根硅納米線電極在SEI層形成過程中的形貌變化進(jìn)行了原位表征，將其形成過程分為3個(gè)階段，提出了mixture-packing的結(jié)構(gòu)模型來描述SEI膜的形成過程，并通過加大探針和樣品間作用力的方法刮去了部分SEI膜，從而測量出了SEI膜的厚度為18～38 nm。KUMAR等[18]研究發(fā)現(xiàn)硅負(fù)極嵌鋰后體積會膨脹300%，從而導(dǎo)致了SEI膜結(jié)構(gòu)的破裂，利用AFM研究者還研究了SEI膜裂縫的整個(gè)開啟和閉合過程（圖2）。對SEI膜應(yīng)力狀態(tài)及裂紋產(chǎn)生情況的測試結(jié)果表明，剪力滯后區(qū)和島狀中心區(qū)的SEI膜形成狀況大相徑庭。其中剪力滯后區(qū)的SEI膜上出現(xiàn)了大量裂紋，這些裂紋在脫鋰后仍無法閉合。該工作提出，鋰化過程中硅的橫向膨脹對SEI膜的形成過程造成了影響，而剪力滯后區(qū)的拉應(yīng)力加劇了裂紋的形成。STEINHAUER等[19]用原位AFM研究了晶體碳負(fù)極表面SEI膜的生長與變化過程，結(jié)果表明在負(fù)電位掃描過程中，生長完全的SEI膜在1.5 V時(shí)表面開始出現(xiàn)小的形變，在0.8 V以下形變加快，這種快速的形貌變化被認(rèn)為是電解液還原形成的有機(jī)分解產(chǎn)物所致。LIU等[20]利用電化學(xué)AFM對濃電解液中SEI的形成及形態(tài)進(jìn)行了研究。該工作以高取向熱解石墨（HOPG）作為石墨電極模型，以DMSO中不同濃度的雙(三氟甲基磺酰基)酰亞胺（LITFSI）作為電解質(zhì)，結(jié)果表明電解質(zhì)濃度對石墨與DMSO基電解質(zhì)的界面反應(yīng)有顯著影響，高濃度電解質(zhì)能夠促進(jìn)SEI膜的形成，防止鋰離子插層。

LIU等[21]利用AFM原位研究了首次充放電循環(huán)中單晶硅片負(fù)極界面的形貌變化，其SEI膜的形成過程為：初始SEI膜從1.5 V開始形成，在1.25～1.0 V之間快速生長，0.6 V左右生長緩慢。初始SEI膜具有層狀結(jié)構(gòu)的特征，表層薄膜較軟，下層呈顆粒狀，機(jī)械穩(wěn)定性較好。經(jīng)過首個(gè)充放電循環(huán)后，硅負(fù)極表面被厚度不均一的SEI膜所覆蓋，SEI膜的厚度大約為10～40 nm。與LIU等[21]的研究結(jié)果一致，STEINHAUER等[21]同樣利用原位AFM研究了晶體碳負(fù)極表面SEI膜的生長與變化過程，結(jié)果表明在負(fù)電位掃描過程中，生長完全的SEI膜在1.5 V時(shí)表面開始出現(xiàn)小的形變，在0.8 V以下形變加快，這種快速的形貌變化被認(rèn)為是電解液還原形成的有機(jī)分解產(chǎn)物所致。

圖2 SEI裂縫開啟和閉合過程的AFM[18]

2.2 納米力學(xué)、電學(xué)性能

通過納米壓痕，AFM還可以被用于測定聚合物材料和有機(jī)薄膜的力學(xué)性能，如彈性模量和接觸剛度。XU等[22]過AFM納米壓痕分析發(fā)現(xiàn)，在電解液中加入硅烷添加劑能夠改善SEI膜表面的力學(xué)性能（附著力），從而提高了硅負(fù)極在鋰離子嵌入和脫出循環(huán)過程中體積變化的能力。

在重復(fù)循環(huán)過程中，負(fù)極顆粒由于嵌鋰和氣體產(chǎn)生會發(fā)生體積變化、應(yīng)力和壓力積累，從而引起SEI膜和電極顆粒表面的不穩(wěn)定或造成物理損傷。如果負(fù)極表面形成的SEI膜的彈性較小，在嵌鋰過程中會更易破裂，因此彈性模量對于SEI膜穩(wěn)定性研究具有極為重要的意義。近年來，人們利用AFM納米壓痕技術(shù)進(jìn)行了大量研究，ZHANG等[23]發(fā)現(xiàn)，在SEI形成過程中，MnO負(fù)極上的SEI膜楊氏模量會發(fā)生變化。SHIN等[24]結(jié)合計(jì)算研究證明SEI膜的彈性性能受其化學(xué)成分影響極大，有機(jī)/聚合物組分與無機(jī)組分的SEI膜在彈性性質(zhì)上存在顯著差異。ZHENG等[25]發(fā)現(xiàn)硅負(fù)極上的SEI膜具有單層、雙層、多層、多孔和夾層結(jié)構(gòu)，楊氏模量結(jié)果表明SEI膜的分布不均勻，軟的SEI部分傾向于生長在SEI膜的外層；加入VC添加劑后SEI膜會覆蓋于整個(gè)硅負(fù)極表面，充電后可隨溫度的升高而分解。KITTA等[26]用原位AFM研究了鋰負(fù)極表面的鋰沉積機(jī)理及其表面形成的鋰金屬凸起，并表征了鋰負(fù)極SEI膜的力學(xué)性能，提出鋰原子之間弱的結(jié)合力是形成凸起狀鋰金屬沉積物的本質(zhì)原因。該工作還發(fā)現(xiàn)均勻分布的SEI膜能夠誘導(dǎo)鋰沉積反應(yīng)在鋰負(fù)極表面均勻進(jìn)行。

3 AFM在鋰離子電池負(fù)極材料研究中的應(yīng)用

3.1 表面結(jié)構(gòu)及修飾

ZHANG等[23]利用AFM研究了負(fù)極MnO薄膜在不同充放電狀態(tài)的形貌變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)放電到0.8 V和0.3 V時(shí)，As沉積的MnO表面粗糙度變化不大，當(dāng)放電到0.1 V時(shí)，表面晶粒尺寸開始增大，粗糙度顯著增加。當(dāng)MnO電極放電到0.01 V時(shí)，表面出現(xiàn)約200 nm的顆粒沉積，粗糙度增加到約280 nm。當(dāng)MnO電極充電至3.0 V后，大顆粒沉積消失，表面粗糙度降為11 nm，與原始MnO（粗糙 度12 nm）表面相似的形貌再次出現(xiàn)。研究者認(rèn)為MnO膜表面的這種變化是SEI膜的形成和分解 過程。

BECKER等[27]對修飾有Al2O3的硅電極進(jìn)行了研究，AFM結(jié)果表明，相較于未修飾的硅電極，3 nm Al2O3鍍層形成了有效的界面保護(hù)層，提高了器件能量密度，抑制了嵌鋰、脫鋰過程對材料結(jié)構(gòu)的改變。在電學(xué)測量結(jié)果中，修飾過的硅電極在充放電過程后具有更低的導(dǎo)電性，表明了修飾層的穩(wěn)定性。

MOGI等[28]研究了不同電解液添加劑對鋰負(fù)極SEI膜的影響，發(fā)現(xiàn)FEC添加劑能促使鋰負(fù)極表面生成均勻致密的SEI膜，而VC或ES添加劑則沒有類似的效果。研究者認(rèn)為這是由于FEC所含的氟原子增加了鋰負(fù)極SEI膜的LiF含量，因此形成的SEI膜抑制了鋰枝晶的形成。

3.2 原位AFM的測量

硅基負(fù)極材料的理論能量密度比碳電極高，但由于其在嵌鋰和脫鋰過程中會經(jīng)歷過大的體積膨脹和收縮，使得實(shí)際能量密度和壽命比碳電極更低，因此研究硅基負(fù)極材料的伸縮情況極為重要。為了了解在電化學(xué)循環(huán)過程中結(jié)晶Si（c-Si)和非結(jié)晶Si（a-Si）的變化差異，BECKER等[29]對a-Si進(jìn)行原位AFM測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在循環(huán)過程中直徑在200 nm以上的a-Si納米線體積膨脹率能夠達(dá)到約300%，而直徑100 nm的體積膨脹率則在200%以下。通過原位AFM對添加了聚合物黏合劑和炭黑的納米顆粒硅電極在充放電過程中的結(jié)構(gòu)和形貌變化進(jìn)行測量后，BREITUNG等[30]發(fā)現(xiàn)在0.6 V時(shí)，硅電極的形貌開始發(fā)生變化，納米顆粒的尺寸增大，電極表面開始形成SEI層。0.2 V以下為嵌鋰過程，納米顆粒會進(jìn)一步增大。而在脫鋰過程中（0.01～0.6 V）由于SEI層的掩蓋，硅納米顆粒沒有發(fā)現(xiàn)明顯的 變化。

DOMI等[31]以HOPG邊緣面為工作電極（HOPG邊緣面表面的微觀結(jié)構(gòu)與商業(yè)鋰電池中的石墨更相似），通過原位AFM對表面成膜進(jìn)行了研究。對邊緣面和基面上形成的SEI膜的比較分析后，得出了在邊緣平面上能形成更有效的SEI膜的 結(jié)論。

HUANG等[32]利用電化學(xué)AFM原位研究了HOPG表面SEI膜在不同電解液中的成膜演變過程。通過對含有不同鋰鹽的電解液中形成的SEI膜研究后發(fā)現(xiàn)，在含有LiDFOB的電解液所形成的SEI膜要比LiBOB電解液所形成的SEI膜薄，且前者SEI膜的楊氏模量（15.14 GPa）要比后者（4.73 GPa）高出一個(gè)數(shù)量級。說明通過改變電解液組成可以調(diào)控HOPG表面SEI膜的厚度及力學(xué)性質(zhì)。

VERDE等[33]用原位導(dǎo)電AFM研究了Li4Ti5O12負(fù)極在嵌鋰/脫鋰過程中的相變機(jī)制。通過觀察不同荷電狀態(tài)下的電極表面形貌和電流強(qiáng)度變化，發(fā)現(xiàn)該負(fù)極能夠在Li4Ti5O12和Li7Ti5O12兩相之間發(fā)生可逆轉(zhuǎn)變。結(jié)合XPS的測試結(jié)果，該工作提出Li4Ti5O12負(fù)極的相變單個(gè)晶粒內(nèi)的滲透通道進(jìn)行的，并且該變化不會跨越晶界處橫向進(jìn)行。

4 AFM在鋰離子電池正極材料研究中的應(yīng)用

4.1 表面形貌的測量

LiFePO4是目前的離子電池體系中一種常見的正極材料，LiFePO4電池具有最高的重量能量密度、高理論容量和3.5 V的高工作電壓。但隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池的容量和功率會下降即發(fā)生老化。AFM是研究LiFePO4電池老化問題的重要手段之一。RAMDON等[34]對LiFePO4正極進(jìn)行了高分辨AFM成像分析，粒度和粗糙度結(jié)果表明老化正極表面呈顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，該團(tuán)聚顆粒被認(rèn)為是由納米晶沉積的分解和/或形成而產(chǎn)生的小顆粒組成。電導(dǎo)率測量結(jié)果表明，顆粒團(tuán)聚會導(dǎo)致表面電導(dǎo)率下降，研究者認(rèn)為可能是在團(tuán)聚過程中顆粒表面的碳涂層發(fā)生降解所導(dǎo)致。DEMIROCAK等[35]用原位AFM研究了LiFePO4正極的形貌演變。如圖3所示，放電后表面形貌無明顯變化，通過粒子分析，LiFePO4表面的粒子表面積增加了1.8%～14.3%，這是由于鋰離子插層所致。

PARK等[36]用原位AFM研究了LiCoO2在鋰化和脫硫過程中的變形。AFM測量的平均高度變化與模擬結(jié)果吻合較好。VIDU等[37]利用AFM揭示了在恒電位條件下，LiMn2O4復(fù)合電極表面顆粒在混合有EC、DMC和DEC的1 mol/L LiPF6中形成和溶解的過程。

LU等[38]利用原位AFM對層狀LiCoO2正極電解質(zhì)界面（CEI）膜在高電壓循環(huán)過程中的形貌演化進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明，界面反應(yīng)和CEI膜的形成高度依賴于晶面，CEI膜僅在LiCoO2微晶的邊緣面形成，而在基面不會發(fā)生界面反應(yīng)，并且在邊緣面會逐漸生長出一層較薄的Al2O3薄膜以阻止界面反應(yīng)和CEI的進(jìn)一步形成。

圖3 （a）LiFePO4正極的AFM圖；（b）表面粒子增加百分比[34]

4.2 電學(xué)和力學(xué)性能的測量

層狀LiCoO2由于具有較高的容量和良好的穩(wěn)定性，是鋰離子電池LIBs正極材料中應(yīng)用最廣泛、商業(yè)化程度最高的一種[39-40]。利用AFM LiCoO2正極在不同荷電狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)及形貌演化規(guī)律進(jìn)行研究，有助于深入理解LiCoO2正極內(nèi)部的鋰離子擴(kuò)散及電極老化機(jī)制。YAO等[41]利用導(dǎo)電AFM的隧穿電流模式（TUNA）研究了恒電場下局部壓力對商用層狀LiCoO2鋰離子再分布的影響。研究結(jié)果表明電極表面的壓力會促進(jìn)鋰離子在LiCoO2層中的再分布：向LiCoO2表面局部施壓能夠增強(qiáng)該區(qū)域的導(dǎo)電性，輸出電流增大；停止施壓則輸出電流減小。

SHIM等[42]利用導(dǎo)電AFM研究了LiCoO2粉體的電導(dǎo)率，結(jié)果顯示后熱處理法制備的LiCoO2表面包覆的尖晶石型LiCO2O4，能夠增強(qiáng)LiCoO2的導(dǎo)電性。LIANG等[43]將優(yōu)質(zhì)的離子導(dǎo)體緩沖層Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3修飾到LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2上，利用AFM界面電勢分析功能研究了修飾后正極的優(yōu)異動力學(xué)的形成機(jī)理，揭示了界面緩沖層對電勢分布和極化的影響。AFM界面電勢測量結(jié)果證實(shí)緩沖層帶來的電勢梯度降落，有效地緩解了極化，抑制了副反應(yīng)，這說明這種修飾能夠提高循環(huán)穩(wěn)定性及動力學(xué)性能。

目前基于AFM已開發(fā)出了許多用于研究定量納米力學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)、電化學(xué)性質(zhì)的模式，如PFQNM、EFM、SRRM、KPFM等，這些模式也被廣泛用在了鋰離子電池LIBs正極材料的研究中。NAGPURE等[44]利用AFM的SSRM模式和KPM模式對LiFePO4正極在充放電過程中表面的電阻變化和表面電勢變化進(jìn)行了半定量研究，結(jié)果表明由于物理變化（如納米粒子的粗化）和化學(xué)反應(yīng)（正極表面形成納米晶沉積）的共同作用，LiFePO4正極表面電阻會隨循環(huán)次數(shù)的增加而增加。MASCARO等[45]證明了基于AFM的EFM，可以用于檢測LiFePO4上具有高空間分辨率的局域離子輸運(yùn)特性。WU等[46]用原位AFM的AM-FM和KPFM模式研究了LiCoO2的形貌、硬度和表面電勢分布，發(fā)現(xiàn)LiCoO2中的鋰含量隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減少，使接觸硬度下降的速率越來越快。同時(shí)，在不可逆的嵌鋰/脫鋰過程中LiCoO2正極會形成CEI膜，使LiCoO2正極表面電勢下降。這兩點(diǎn)共同構(gòu)成了LiCoO2正極在充放電循環(huán)過程中發(fā)生容量衰減的原因。

5 結(jié) 論

自AFM技術(shù)出現(xiàn)以來，已被廣泛地應(yīng)用于鋰離子電池LIBs的分析研究中，其低破壞性地檢測納米尺度上形貌和性能演變的能力，有助于更深入地認(rèn)識鋰離子電池LIBs正負(fù)極材料、SEI膜的結(jié)構(gòu)及相關(guān)性能，為鋰離子電池LIBs的開發(fā)和研究奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)，進(jìn)一步推動了鋰離子電池的發(fā)展。本文從形貌、力學(xué)性能和電化學(xué)性能等方面綜述了AFM在正負(fù)極材料、SEI膜研究中的應(yīng)用及研究進(jìn)展。這些研究表明，AFM在鋰離子電池的研究應(yīng)用中仍有很大的發(fā)展空間。此外，大量的研究發(fā)現(xiàn)，AFM的力學(xué)測量較其它原位表征技術(shù)有很大的優(yōu)勢，該方法在觀察不同電池運(yùn)行條件下相間和電極的力學(xué)和結(jié)構(gòu)演化方面具有很大的潛力。最后，與其它檢測技術(shù)聯(lián)用、研發(fā)更多的掃描模式為AFM的應(yīng)用開辟了新的前景。

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Applications of atomic force microscopy in lithium ion batteries research

GAO Xiang1, ZHU Zirui2

(1The College of Chemistry & Material Science, Northwest University, Xi'an 710127, Shaanxi, China;2The School of cultural heritage, Northwest University, Xi'an 710127, Shaanxi, China)

Li-ion batteries are the most popular portable power source in modern life and promises a broad range of application field, because of its advantages of high energy density, long cycle life, safety, and so on. In order to further improve lithium ion battery and promote its practical process, the study of electrode reaction mechanism is necessary. Atomic force microscope (AFM) can detect the micromorphology of the electrode surface in real time by the interaction between the tip atom and the electrode surface atom. The physical and chemical information of electrode surface is provided on nanometer scale, which provides experimental basis for the optimization modification of electrode material and electrolyte. In this paper, the latest applications of AFM in Li-ion batteries are reviewed, including the morphology changes of electrode materials under electrochemical reaction conditions, nano-mechanical properties and electrical properties, etc. It is concluded that AFM will further promote the research progress of lithium ion batteries.

atomic force microscope; lithium ion batteries; solid electrolyte interface; anode materials; cathode materials

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0189

TM 911

A

2095-4239（2019）01-075-08

2018-09-11；

2018-09-28。

高翔（1984—），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧媳碚鞣治?，E-mail：xianggao1984@aliyun.com。