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(jī)和手機(jī)等小型電子設(shè)備以及混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)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(bǔ)這個(gè)問題，需要選擇合適的硬粘合劑以牢固地粘合Si材料。

我們?cè)O(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(shí)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(shí)。24小時(shí)后進(jìn)行觀察，同時(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)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(huì)添加導(dǎo)電劑以增強(qiáng)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(shí)對(duì)導(dǎo)電效果的提升。

如上圖所示，對(duì)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(shí)電流圖上表征電流分布和強(qiáng)度的紅黃色點(diǎn)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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