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Advanced Energy Materials：利用原位電化學(xué)原子力顯微鏡表征電池

盡管鋰和其他堿離子電池得到了廣泛的應(yīng)用和研究，但許多支撐內(nèi)部材料并導(dǎo)致其降解/失效的化學(xué)和機械過程尚未完全了解。

因此，為了加深對這些過程的理解，正在探索各種非原位、原位表征方法。最近，電化學(xué)原子力顯微鏡（EC-AFM）和相關(guān)技術(shù)已成為電池材料表面多功能表征的關(guān)鍵平臺。

英國倫敦大學(xué)學(xué)院Dan J. L. Brett、Thomas S. Miller等人評估了使用EC-AFM在理解電池方面取得的進展。

EC-AFM和其他密切相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)影響了堿金屬和相關(guān)電池的研究，揭示了各種電解質(zhì)中眾多工業(yè)就緒和下一代電極的界面、形態(tài)、機械、電氣和電化學(xué)特性。

重要的是，大部分已經(jīng)使用原位技術(shù)顯示了這些現(xiàn)象，這意味著電池研究中關(guān)鍵過程的進展，包括離子嵌入/脫嵌、SEI或CEI演化、活性材料體積膨脹/收縮、枝晶形成、薄膜電極結(jié)構(gòu)的變化、電導(dǎo)率的變化、表面降解、中間體形成的發(fā)展已經(jīng)被揭示。

Advanced Energy Materials：利用原位電化學(xué)原子力顯微鏡表征電池

圖1 AFM、EC-AFM、C-AFM的示意圖

在可用的掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)中，EC-AFM可以說是最能代表真實電池環(huán)境的，特別是那些具有液態(tài)電解質(zhì)的環(huán)境，并且在繼續(xù)發(fā)展以改善這種表現(xiàn)的同時，也具有最大的潛力形態(tài)學(xué)和力學(xué)數(shù)據(jù)收集的可能性。但是，除了加大力度開發(fā)具有更相關(guān)電化學(xué)/電極環(huán)境的EC-AFM電池外，還必須認(rèn)識到，與所有其他技術(shù)一樣，這種技術(shù)提供了對電池過程的有限看法。

因此，EC-AFM實驗必須與抵消這些限制的實驗相結(jié)合，特別是揭示電極體而非界面上同時發(fā)生結(jié)構(gòu)或化學(xué)變化的方法，以及探測化學(xué)和晶體變化的方法，最后是能夠使用真正與行業(yè)相關(guān)的電池幾何形狀的技術(shù)。只有這樣，才能自信地使用這些數(shù)據(jù)來解釋定義電池運行時的變化和退化過程的起源。

圖2 三種代表性的商業(yè)電池結(jié)構(gòu)

Characterizing Batteries by In Situ Electrochemical Atomic Force Microscopy: A Critical Review. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101518

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