島津原子力顯微鏡技術(shù)揭秘新能源電極微觀奧秘

　　【儀表網(wǎng) 企業(yè)動(dòng)態(tài)】 　導(dǎo)讀:在新能源技術(shù)革命浪潮中，鋰離子電池性能突破已成為電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能系統(tǒng)的決勝關(guān)鍵。作為決定電池性能的核心要素，電極材料微觀結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)解析對(duì)提升能量密度與循環(huán)壽命具有戰(zhàn)略意義。島津原子力顯微鏡(AFM)憑借納米級(jí)表征優(yōu)勢(shì)，為揭示電極材料構(gòu)效關(guān)系提供關(guān)鍵技術(shù)支持。近期，島津分析中心與上海大學(xué)張海嬌教授團(tuán)隊(duì)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，在國(guó)際頂刊連續(xù)取得突破性成果：2篇《Advanced Functional Materials》(IF=19)與1篇《Small》(IF=12.1)，通過AFM高精度成像與力學(xué)分析，成功實(shí)現(xiàn)微米SiO基材料、多級(jí)孔復(fù)合電極和多孔硅碳復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為新一代高性能鋰電池研發(fā)提供重要理論支撐。
 

 

文章首頁
 

　　島津AFM技術(shù)優(yōu)勢(shì)
 

　　島津AFM以其高分辨率、多功能性和優(yōu)異的穩(wěn)定性，為研究人員提供了深入探究電極材料微觀世界的利器。高分辨率成像：能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)甚至亞納米級(jí)的分辨率，清晰揭示材料表面的微觀形貌和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，有助于發(fā)現(xiàn)影響電池性能的關(guān)鍵因素。多功能測(cè)量：除了形貌觀察，還具備粗糙度測(cè)量、彈性模量分析、相位成像等多種功能，全面評(píng)估材料的物理化學(xué)性質(zhì)。精準(zhǔn)定量分析：提供精確的定量數(shù)據(jù)，如粗糙度數(shù)值、彈性模量分布等，助力研究人員進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)分析和理論驗(yàn)證。
 

 

圖2.島津原子力顯微鏡SPM-9700HT(帶環(huán)境控制艙)
 

　　合作成果分享
 

　　成果一：微米級(jí)SiO復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估，《Advanced Functional Materials》
 

　　島津AFM用于觀察材料在循環(huán)后的表面形貌。AFM測(cè)試數(shù)據(jù)(圖3)顯示，SiO-NC@SnO2-C電極在循環(huán)后的厚度僅從9.2μm增加到12.1μm，膨脹比率為31.5%，遠(yuǎn)低于SiO@SnO2電極的142.6%和SiO電極的183.3%。這種較低的膨脹比率表明SiO-NC@SnO2-C電極具有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠有效緩解SiO在循環(huán)過程中的體積膨脹問題。AFM測(cè)量的粗糙度數(shù)據(jù)顯示，SiO-NC@SnO2-C電極表面較為光滑，有助于減少電極與電解液之間的副反應(yīng)，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。
 

 

　　圖3. SiO-NC@SnO2-C電極的原子力顯微鏡(AFM)圖像及彈性模量分析
 

　　成果二：應(yīng)力緩沖型多級(jí)孔硅碳復(fù)合材料的力學(xué)性能分析，《Advanced Functional Materials》
 

　　通過AFM的高分辨率成像和多功能測(cè)量，研究人員能夠深入探究材料的表面形貌、粗糙度以及力學(xué)性能。AFM測(cè)試數(shù)據(jù)(圖4)顯示，pSi@void@NMC電極在循環(huán)后的粗糙度增加較小，彈性模量測(cè)量表明，該材料具有合理的機(jī)械強(qiáng)度，既能承受循環(huán)過程中的應(yīng)力和應(yīng)變，又不會(huì)因過硬而導(dǎo)致材料脆斷，從而在循環(huán)過程中保持較好的結(jié)構(gòu)完整性，有效緩沖體積變化帶來的應(yīng)力。
 

 

　　圖4. pSi@void@NMC (a,d)、pSi@NMC(b,e)和pSi(c,f)電極的AFM圖及對(duì)應(yīng)彈性模量分析
 

　　成果三：多孔硅碳復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究，《Small》島津AFM被用于分析材料在循環(huán)充放電過程中的表面形貌和粗糙度變化。AFM測(cè)試數(shù)據(jù)(圖5)顯示，pSi@PC@MC電極在循環(huán)后表面粗糙度僅為235 nm，遠(yuǎn)低于pSi@MC電極的250.1 nm和裸露pSi電極的顯著增加。這種較低的粗糙度有助于減少電極與電解液之間的副反應(yīng)，降低界面阻抗，從而提高電池的整體性能。此外，通過彈性模量分析，發(fā)現(xiàn)pSi@PC@MC電極具備適中的機(jī)械強(qiáng)度，既能承受循環(huán)過程中的應(yīng)力和應(yīng)變，又不會(huì)因過硬而導(dǎo)致材料脆斷，展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)穩(wěn)定性。
 

 

　　圖5. a) pSi@PC@MC和b) pSi@MC電極在循環(huán)100次后的AFM圖像及對(duì)應(yīng)的三維形貌圖
 

　　結(jié)語
 

　　島津AFM在新能源電極材料研究中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值。通過高分辨率成像和多功能測(cè)量，AFM為研究人員提供了豐富的微觀結(jié)構(gòu)和性能信息，助力深入理解材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，為高性能電極材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。未來，隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，島津AFM將繼續(xù)在電極材料的研究中發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動(dòng)鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)更高效、更持久的能源存儲(chǔ)解決方案貢獻(xiàn)力量。
 

　　參考文獻(xiàn)
 

　　1. Biomimetics-Driven Design of Micron-Sized SiO Composites for High-Performance Lithium-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater., 2025, 2422743.
 

　　2. A Stress-Bu?ering Hierarchically Porous Silicon/Carbon Composite for High-Energy Lithium-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater., 2025, 2505207.
 

　　3. Enabling the Transport Dynamics and Interfacial Stability of Porous Si Anode Via Rigid and Flexible Carbon Encapsulation for High-Energy Lithium Storage, Small, 2024, 20(52), 2407560.