用原子力显微镜研究锂离子电池的纳米力学性能

图片来源:JanakaDharmasena / Shutterstock.com

锂离子电池为现代的生活方式提供动力。使用离子电池技术，它们存储电能，允许我们的设备随时随地与我们一起使用。它们还可以从可再生能源储存电力，使其成为化石燃料的可行替代品。

John B.奥斯汀德克萨斯大学Cockrell工程学院的Goodengough以及M. Stanley Whittingham和Akira Yoshino撰写，被授予2019年诺贝尔化学奖，以获得锂离子电池的开创性工作。在20世纪70年代后期，他开发了李阴极，可以允许充电更安全地存放，并且在细胞内更高的密度。Goodenough教授在这一领域继续工作，用Bruker的Peakforce QNM技术的纸张发表于去年发表的进一步改进了电池研究¹．

电池的重要性

电池在包括消费电子，运输和可再生能源的技术中发挥着重要作用。移动电话，笔记本电脑，平板电脑和电动汽车都设计用于随时随地使用，因此需要高效，高密度，可充电电池。

可再生能源也依赖于电池。由于变化的天气状况，风和太阳能往往不一致。充分利用其功能意味着当供电在需求上时必须存储电源，以便在使用时随时可用。

对于更快的电池，可以持续驾驶更小，较轻的电池，可以更快地存储更多能量和充电。设计更好的电池需要详细了解他们如何工作，电池内的每种材料的作用以及如何改进。

研究表明，电池材料之间的界面对电池的功能至关重要。欧洲杯足球竞彩完全理解这些界面需要可靠和精确的纳米尺度技术。原子力显微镜是分析电池材料的领先技术，其独特的能力提供了纳米级界面的定量表征。欧洲杯足球竞彩

早期设备

1972年石油危机期间，约翰·b·古迪纳夫(John B. Goodenough)在福特汽车公司工作，他的任务是解决能源储存问题²．当时，美国汽车司机在加油站前排起了长龙，福特想要一种可供他们用于大规模生产的电动汽车电池的替代材料。欧洲杯足球竞彩当时，古迪纳夫的研究重点是钠离子电导率和能量存储，但他很快就发现了一个更有前途的候选者。

离开福特后，他担任了牛津大学无机化学实验室的负责人。他的兴趣被一篇由斯坦利·哈特哈姆并发表自然描述由锂阳极和钛二硫醚阴极组成的电池。

虽然它具有高能量密度并且是可充电的，但是由于电池经历了少量电荷循环时，由于电解质的锂枝形颗粒形成了主要缺点^3.．枝形曲线短路，并导致整个设置爆炸。

前言的电池解决方案

Goodenough的伟大发现是使用钴氧化锂作为阴极而不是Li金属。这意味着电池仍然具有高密度的储存能量来充电，但避免了困扰以前版本的爆炸性结果。

与斯坦利怀特哈姆一起铺设了初步的基础工作，并在2019年在2019年制作了第一个商业上可行的锂离子电池的Akira Yoshino，授予诺贝尔化学奖。这是一个最高的科学荣誉可以呈现，反映了这项技术已经证明的重要性。

正在进行的研究与开发

电池的研发已经走过了漫长的道路。古迪纳夫在设计锂离子电池方面的早期成就为电池材料和技术的大量改进铺平了道路，但仍有很多工作要做。欧洲杯足球竞彩全球对更好的电池的需求不断增长，这些电池具有更好的存储能力、更长的使用寿命、更高的能量密度和更低的成本。

在97岁的时候，成就继续研究多条材料科学，以及推进锂离子电池储存领域。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球据去年，他共同撰写了一种特征，并将固体电解质间（SEI）层与包含锂氟化锂（LiF）和石墨氟化物（GF）的保护层进行了含有的固体电解质相互相互（SEI）层。¹．这项工作使用了原子力显微镜，特别是布鲁克的PeakForce QNM（定量纳米机械）模式进行高分辨率，定量表征电池阳极的地形和纳米力学性质。

Peakforce qnm利用Peakforce Tapp.技术地图和区分材料的机械性能，例如弹性模量⁴，纳米级分辨率。该技术已成功地研究各种其他纤细材料，包括聚合物，纳米粒子，活哺乳动物细胞和组织等纳米级特性。欧洲杯足球竞彩欧洲杯猜球平台

Goodenough和他的同事使用Peakforce QNM来观察GF-LiF-Li阳极是如何抑制Li枝晶生长的。采集了GF-LiF-Li和裸Li阳极的高分辨率形貌图像，对比显示，GF-LiF-Li表面光滑、涂层均匀，而裸Li阳极表面粗糙、坑坑洼洼。

相关弹性模量图显示了模量如何在两个阳极之间变化，GF-LIF层的模量降低，表明它更加柔韧，并且不容易被破坏为在裸Li金属上显影的SEI层。

通过使用Peakforce QNM，研究人员对GF-Lif层能够稳定工作Li阳极的界面并防止树突式形成的机理获得了宝贵的洞察力。这种无树突式锂阳极的发展是朝向生产新电池的关键步骤，该电池可以降低成本，充电更快，具有更长的生命周期和更大的储存电力密度。它还展示了代理教授的研究如何重要的是，正如他继续影响和指导他在40多年前创造的技术一样重要。

参考资料及进一步阅读

1. 沈,X。等等。锂阳极在空气中稳定，用于低成本的无树枝状锂电池。Commun Nat。10，（2019）。
2. Perks, B. Goodenough Rules。化学世界可以在:https://www.chemistryworld.com/features/goodenough-rules/8099.article。
3. Masaki Yoshio，H. N.锂离子电池，第二章．锂离子电池（2009）。DOI：10.1007 / 978-0-387-34445-4
4. 布鲁克。peakforce qnm。可用于：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/tatomic-force-microscopes/modes/modes/imaging-modes/peakforce-qnm.html.