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纳米尺度|扫描电镜用原位AFM探测系统助力锂离子电池老化过程原位研究

更新时间:2022-04-13点击次数:994

【期刊】



Journal of Power Sources IF=9.13

DOI:https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230459

 

【成果简介】


锂离子电池现已广泛应用于数码产品,医疗器械,和汽车等众多域。可是,在使用锂离子电池的过程中,锂电池的性能会随着内部结构的老化而降低。这问题会导致使用锂离子电池的成本增高。为了更加深入地了解锂离子电池在使用过程中老化的细节。奥地林茨大学Gramse教授课题组近日用扫描电镜用原位AFM探测系统AFSEM对锂离子电池老化过程中电表面的形貌和导电性的变化进行了纳米尺度的原位研究,其成果发表在Journal of Power Sources上。

 

AFSEM™—使AFM和SEM合二为:

▪ 实现AFM和SEM的功能性互补

▪ 让SEM实现样品的真实三维形貌成像

▪ 在扫描电镜中进行AFM原位分析

▪ 无需激光和探测器,适用于任何样品表面

▪ 完·美适配SEM不妨碍正常的操作

 

【图文导读】


图1 用不同尺度和方法来研究锂离子电池的电化学表现。A)用电化学阻抗谱(EIS),电池循环和容量测试的方法研究锂离子电池的老化问题。 B)用电化学相关有限元的方法来研究电池的EIS表现。C)用AFM,AFSEM和SEM等表征手段研究电池循环后的纳米尺度上的彼变化。



图2 电化学循环次数,充电状态和循环温度对锂离子电池阻抗谱的影响。A)电池不同循环次数后阻抗谱的变化。B)充电600次后,24℃条件下的电池阻抗谱。C)不同温度下,循环100次后电池阻抗谱的研究。


 


图3 锂离子电池的有限元模型。A)锂离子电池的维有限元模型。B)不同薄膜阻抗下模拟的电化学阻抗值。C)电化学阻抗模拟值随着双层电容的变化。D)不同电材料颗粒大小对电化学阻抗模拟值的影响。



图4 电池经过循环后,SEM和AFSEM对电池内部结构的原位微纳表征。A)经过不同次数的循环后,石墨阳表面的电子扫描成像。B)AFSEM对不同循环次数的阳表面形貌进行原位表征。C) AFSEM对不同循环次数的阴表面形貌进行原位表征。



图5 用AFSEM多功能探针对不同老化阶段的阳材料进行表征。A)为AFSEM原子力显微镜扫描获得的形貌图。B)扫描微波显微镜对样品表征结果。C)AFSEM提供的样品纳米尺度的直流电导率测量。

 

【文章总结】


奥地林茨大学Gramse教授课题组用AFSEM对老化锂离子电池电表面进行了纳米尺度的原位分析。这是因为AFSEM可以在电子显微镜所需的真空环境下运行。在获得电子显微成像的基础上,还可以获得样品表面形貌的信息。除此之外,AFSEM的多功能探针,也可以对样品指·定区域的磁性,电学,力学,热学性能进行微纳尺度的表征。


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