การประยุกต์ใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมในการวิจัยแบตเตอรี่ Li-ion
ปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIBs) เป็นแหล่งพลังงานเก็บพลังงานเคมีที่มีประสิทธิภาพสูงที่มีแนวโน้มมากที่สุด เนื่องจากมีพลังงานจำเพาะสูง อายุการใช้งานยาวนาน ความปลอดภัยสูง และการปกป้องสิ่งแวดล้อม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ทิศทางการวิจัยของ LIBs มุ่งเน้นไปที่การวิจัยและพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกและลบใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูง การปรับปรุงประสิทธิภาพความปลอดภัยของแบตเตอรี่โดยการเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์ และการปรับปรุงความเสถียรของฟิล์มส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์แบบแข็ง (อิเล็กโทรไลต์แบบแข็ง อินเตอร์เฟส, SEI) บนวัสดุอิเล็กโทรดลบ ฟิล์ม SEI หมายถึงชั้นทู่ที่ปกคลุมพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาของอิเล็กโทรไลต์และวัสดุอิเล็กโทรดที่อินเทอร์เฟซเฟสของแข็งและของเหลวในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุครั้งแรกของ LIB ฟิล์ม SEI เป็นฉนวนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีลักษณะของอิเล็กโทรไลต์แข็ง แต่ยังเป็นตัวนำที่ดีเยี่ยมของลิเธียมไอออน ทำให้ลิเธียมไอออนสามารถแยกและสกัดไอออนลิเธียมได้อย่างอิสระในชั้นนี้ และความเสถียรของฟิล์มมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของวงจร และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน LIB ผลกระทบที่ยิ่งใหญ่ โดยปกติแล้ว สเปกโทรสโกปีอิมพีแดนซ์ไฟฟ้าเคมี, รามานสเปกโทรสโกปี, เอ็กซ์เรย์โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโทรสโกปี, AFM ฯลฯ ถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาการก่อตัว การเปลี่ยนแปลง และการทำงานของฟิล์ม SEI ซึ่ง AFM มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการศึกษาการก่อตัว การเสียรูป และการแตกของ ภาพยนตร์ SEI บทบาทสำคัญ.
ในปี พ.ศ. 2525 การกำเนิดของกล้องจุลทรรศน์แบบส่องกราดอุโมงค์ (STM) ทำให้สามารถสังเกตการจัดเรียงตัวของอะตอมแต่ละอะตอมแบบเรียลไทม์แบบเรียลไทม์เป็นครั้งแรกบนพื้นผิวของสารและคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เกี่ยวข้องกับฟังก์ชันความหนาแน่นของอิเล็กตรอนบนพื้นผิว อย่างไรก็ตาม หลักการทำงานของ STM คือการใช้กระแสไฟในอุโมงค์ที่เปลี่ยนแปลงแบบทวีคูณตามระยะห่างระหว่างโพรบกับพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าในการถ่ายภาพ ดังนั้น วัสดุที่ STM สามารถตรวจจับได้จะต้องเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งจำกัดการใช้งาน เพื่อชดเชยข้อบกพร่องนี้ ในปี 1986 BINNIG และคนอื่นๆ ได้คิดค้นกล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู (AFM) โดยใช้หลักการโพรบของ STM AFM ไม่เพียงแต่สามารถตรวจจับตัวนำ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ แต่ยังรวมถึงวัสดุฉนวน และสามารถวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันในบรรยากาศ สุญญากาศ ของเหลว และสภาพแวดล้อมอื่นๆ ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการวิจัยด้านวิทยาศาสตร์พื้นผิว วัสดุศาสตร์ วิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต และสาขาอื่นๆ ความสำคัญอย่างยิ่งและโอกาสในการสมัครในวงกว้าง
จุดนวัตกรรมและการแก้ปัญหา
เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานสูง วงจรชีวิตสูง ความปลอดภัย และข้อดีอื่นๆ มากมาย แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงเป็นแหล่งพลังงานแบบพกพาที่ได้รับความนิยมสูงสุดในชีวิตสมัยใหม่ และมีโอกาสในการใช้งานที่หลากหลาย เพื่อให้สามารถใช้ศักยภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างเต็มที่และส่งเสริมการใช้งานจริง จำเป็นต้องศึกษากระบวนการเกิดปฏิกิริยาของอิเล็กโทรดในเชิงลึก ในฐานะที่เป็นผู้ช่วยที่มีประสิทธิภาพในการวิจัยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) สามารถตรวจจับสัณฐานวิทยาระดับจุลภาคของพื้นผิวอิเล็กโทรดได้แบบเรียลไทม์ผ่านการทำงานร่วมกันระหว่างอะตอมที่ปลายอิเล็กโทรดและอะตอมบนพื้นผิวอิเล็กโทรด และให้ข้อมูลทางกายภาพและเคมีบนพื้นผิวอิเล็กโทรดในระดับนาโนเมตร เป็นพื้นฐานการทดลองสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพและการดัดแปลงวัสดุอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ บทความนี้ทบทวนความคืบหน้าล่าสุดของการประยุกต์ใช้ AFM ในการวิจัยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน รวมถึงการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยา คุณสมบัติทางกลศาสตร์นาโน และคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุอิเล็กโทรดภายใต้สภาวะปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ซึ่งบ่งชี้ว่า AFM จะส่งเสริมความก้าวหน้าในการวิจัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต่อไป .
นับตั้งแต่การเกิดขึ้นของเทคโนโลยี AFM ก็ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการวิเคราะห์ LIB ของแบตเตอรี่ Li-ion ความสามารถในการทำลายล้างต่ำในการตรวจจับวิวัฒนาการของสัณฐานวิทยาและคุณสมบัติในระดับนาโนเมตรนั้นมีประโยชน์สำหรับความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับ LIB ของแบตเตอรี่ Li-ion โครงสร้างและคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องของวัสดุแอโนดและฟิล์ม SEI ได้วางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาและการวิจัย LIB สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และส่งเสริมการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต่อไป ในบทความนี้ การประยุกต์ใช้และความคืบหน้าการวิจัยของ AFM ในการวิจัยวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบและฟิล์ม SEI ได้รับการทบทวนจากลักษณะทางสัณฐานวิทยา คุณสมบัติทางกล และคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้า การศึกษาเหล่านี้บ่งชี้ว่า AFM ยังมีพื้นที่อีกมากสำหรับการพัฒนาในการวิจัยและการประยุกต์ใช้แบตเตอรี่ Li-ion นอกจากนี้ การศึกษาจำนวนมากพบว่าการวัดเชิงกลของ AFM มีข้อได้เปรียบเหนือกว่าเทคนิคการระบุลักษณะเฉพาะอื่นๆ ในแหล่งกำเนิด และวิธีนี้มีศักยภาพสูงในการสังเกตวิวัฒนาการเชิงกลและโครงสร้างของเฟสและอิเล็กโทรดภายใต้สภาวะการทำงานของแบตเตอรี่ที่แตกต่างกัน ในที่สุด การพัฒนาโหมดการสแกนเพิ่มเติมร่วมกับเทคนิคการตรวจจับอื่นๆ จะเปิดมุมมองใหม่สำหรับการประยุกต์ใช้ AFM
