功能化原子力显微镜技术及其在能源材料领域的应用
发布时间：2021-08-14 22:07
原子力显微镜可在大气、液相以及超高真空环境下对各类材料在纳米尺度进行物理特性分析测量或纳米操纵,已成为纳米科学研究的重要工具。本文综述了各类功能化原子力显微镜基本原理及其在锂电池、电化学催化和太阳能电池等能源材料领域的应用,并对原子力显微镜功能化发展在表征技术领域的应用前景进行了展望。
【文章来源】：电子显微学报. 2020,39(04)北大核心CSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
a. AFM基本工作原理;b. 峰值力曲线周期(左),相应的定量测量(右);c. 探针与样品间受力-距离曲线;d. 抬起扫描模式的主扫描与间隔扫描;e. SECM纳米探针的SEM图像[16];f. 电化学原位原子力显微镜(EC-AFM)工作示意图[17]; g. 原子力显微镜与红外光谱联用工作示意图。
硅负极材料在充放电过程中,理论体积伸缩可达400%。Kumar等[37]采用AFM轻敲模式对硅基材料进行前三圈循环扫描。如图2e所示,电解液在硅基表面可以先形成完整的SEI膜,在后续的锂化过程中,SEI膜出现了明显的裂缝,并在脱硫过程中随着Si的收缩,表面的裂纹无法完全闭合。经过多次循环,裂纹会逐渐加宽加深,SEI膜也有可能会分离和剥落。万立骏和文锐等[38]首先通过化学气相沉积(CVD)方法制备了大面积超平面单层MoS2电极负极材料,然后利用EC-AFM原位研究其SEI膜成膜过程,以及电解质添加剂对改善成膜性能的影响。研究发现单层MoS2阳极在成膜前期出现明显的纳米颗粒核,随着锂化作用的进行,隆起物以褶皱的形式生长、繁殖和分枝如图3a,最终在界面处演化为平面纳米结构网络。由于MoS2阳极材料在平面内产生双轴压缩力,导致微应变变形发展出皱纹,网格分布的纳米点的沟壑和沟谷是这些皱纹促成的。负极材料中,锂金属作为高比容量材料,一直具有锂离子电池“圣杯”之称。锂金属存在的普遍问题是锂枝晶的生长、锂枝晶刺破隔膜造成短路,以及锂枝晶的断裂造成“死锂”。毛秉伟和董全锋等[39]通过电化学抛光(多电位步骤的电化学剥离和沉积)后,利用AFM观察到锂金属具有更少的微观缺陷(图3b),进一步构建了无机-有机-无机的SEI膜。通过力学原子力显微镜进行纳米压应,发现所制备的SEI膜具有更高的杨氏模量和更好的韧性,能够更好地抑制锂枝晶的形成,并有效阻止锂枝晶穿过SEI膜。Goodenough等[40]通过氟化石墨(GF)在金属锂负极获得了具有疏水性的复合GF-LiF-Li层,能够有效地稳定工作阳极的界面,使得新鲜的Li金属在循环过程中不会与电解液中的有机溶剂接触。然后该研究利用AFM观察了具有GF-LiF-Li层阳极和裸Li阳极循环30圈后的表面形貌,研究表明相对于裸Li循环后形成粗糙的孔洞形貌,具有GF-LiF-Li保护层的阳极比较光滑,几乎观察不到明显的锂枝晶生长。该实验通过QNM作力曲线,进一步得到了GF-LiF-Li层比裸锂金属层具有更大的粘附力和能量耗散,说明GF-LiF-Li层具有更好的弹性,可以有效抑制锂金属的生长。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Chlorophyll-based organic solar cells with improved power conversion efficiency[J]. Shenghan Wang,Shengnan Duan,Yuwei Wang,Chenglin Sun,Xiao-Feng Wang,Shin-ichi Sasaki. Journal of Energy Chemistry. 2019(11)
[2]AFM探针针尖与试件表面接触力计算方法研究[J]. 程国东,杨晓京. 电子显微学报. 2015(03)
[3]无镉的铜铟镓硒太阳电池关键膜层XPS及AFM分析[J]. 廖荣,张海燕,王道然,杨铁铮,范宇. 电子显微学报. 2014(03)
[4]不同基底上Au纳米粒子的2D组装与AFM表征[J]. 刘晓军,宋丽云,展宗城,何洪,张桂臻,邱文革,訾学红. 电子显微学报. 2014(02)
[5]原子力显微镜的几种成像模式简介[J]. 陈注里,李英姿,钱建强,阳睿. 电子显微学报. 2013(02)
本文编号：3343271
【文章来源】：电子显微学报. 2020,39(04)北大核心CSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
a. AFM基本工作原理;b. 峰值力曲线周期(左),相应的定量测量(右);c. 探针与样品间受力-距离曲线;d. 抬起扫描模式的主扫描与间隔扫描;e. SECM纳米探针的SEM图像[16];f. 电化学原位原子力显微镜(EC-AFM)工作示意图[17]; g. 原子力显微镜与红外光谱联用工作示意图。
硅负极材料在充放电过程中,理论体积伸缩可达400%。Kumar等[37]采用AFM轻敲模式对硅基材料进行前三圈循环扫描。如图2e所示,电解液在硅基表面可以先形成完整的SEI膜,在后续的锂化过程中,SEI膜出现了明显的裂缝,并在脱硫过程中随着Si的收缩,表面的裂纹无法完全闭合。经过多次循环,裂纹会逐渐加宽加深,SEI膜也有可能会分离和剥落。万立骏和文锐等[38]首先通过化学气相沉积(CVD)方法制备了大面积超平面单层MoS2电极负极材料,然后利用EC-AFM原位研究其SEI膜成膜过程,以及电解质添加剂对改善成膜性能的影响。研究发现单层MoS2阳极在成膜前期出现明显的纳米颗粒核,随着锂化作用的进行,隆起物以褶皱的形式生长、繁殖和分枝如图3a,最终在界面处演化为平面纳米结构网络。由于MoS2阳极材料在平面内产生双轴压缩力,导致微应变变形发展出皱纹,网格分布的纳米点的沟壑和沟谷是这些皱纹促成的。负极材料中,锂金属作为高比容量材料,一直具有锂离子电池“圣杯”之称。锂金属存在的普遍问题是锂枝晶的生长、锂枝晶刺破隔膜造成短路,以及锂枝晶的断裂造成“死锂”。毛秉伟和董全锋等[39]通过电化学抛光(多电位步骤的电化学剥离和沉积)后,利用AFM观察到锂金属具有更少的微观缺陷(图3b),进一步构建了无机-有机-无机的SEI膜。通过力学原子力显微镜进行纳米压应,发现所制备的SEI膜具有更高的杨氏模量和更好的韧性,能够更好地抑制锂枝晶的形成,并有效阻止锂枝晶穿过SEI膜。Goodenough等[40]通过氟化石墨(GF)在金属锂负极获得了具有疏水性的复合GF-LiF-Li层,能够有效地稳定工作阳极的界面,使得新鲜的Li金属在循环过程中不会与电解液中的有机溶剂接触。然后该研究利用AFM观察了具有GF-LiF-Li层阳极和裸Li阳极循环30圈后的表面形貌,研究表明相对于裸Li循环后形成粗糙的孔洞形貌,具有GF-LiF-Li保护层的阳极比较光滑,几乎观察不到明显的锂枝晶生长。该实验通过QNM作力曲线,进一步得到了GF-LiF-Li层比裸锂金属层具有更大的粘附力和能量耗散,说明GF-LiF-Li层具有更好的弹性,可以有效抑制锂金属的生长。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Chlorophyll-based organic solar cells with improved power conversion efficiency[J]. Shenghan Wang,Shengnan Duan,Yuwei Wang,Chenglin Sun,Xiao-Feng Wang,Shin-ichi Sasaki. Journal of Energy Chemistry. 2019(11)
[2]AFM探针针尖与试件表面接触力计算方法研究[J]. 程国东,杨晓京. 电子显微学报. 2015(03)
[3]无镉的铜铟镓硒太阳电池关键膜层XPS及AFM分析[J]. 廖荣,张海燕,王道然,杨铁铮,范宇. 电子显微学报. 2014(03)
[4]不同基底上Au纳米粒子的2D组装与AFM表征[J]. 刘晓军,宋丽云,展宗城,何洪,张桂臻,邱文革,訾学红. 电子显微学报. 2014(02)
[5]原子力显微镜的几种成像模式简介[J]. 陈注里,李英姿,钱建强,阳睿. 电子显微学报. 2013(02)
本文编号：3343271
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