欢迎来到公海电脑版研究团队在电化学原子力显微高速成像取得新进展

作者: 时间:2021-01-12 点击数:

欢迎来到公海电脑版商广义教授和毕篆芳副教授的研究团队在原子力显微高速成像的系列研究中取得系列进展。他们利用自主研制的电化学高速原子力显微镜,实现了锂离子电池电极材料在快速充放电过程中的动态探测成像,并具有纳米级分辨率。该成果近日被美国材料学会会刊(MRS Bulletin)作为新闻做了题目为“Electrochemical high-speed AFM dynamically probes fast-charging battery materials”的专题报道。

锂离子汽车电池的持续挑战之一是能够快速充电,从而期望与汽油车的加油时间媲美。这种快速充电迫使电池电极材料以极端的速度工作,会加速导致现有电池性能衰减和寿命缩短。在对电压、电流和温度等宏观量进行测量、研究衰减机理提高电池性能的同时,在微纳米尺度上探究电极材料变化、研究微观衰减机理亦具有重要科学意义和应用价值。因此,迫切需要发展原位实时纳米动态成像技术。

原子力显微镜(AFM)是当今物理、材料和化学等领域的重要分析表征技术之一。其中,电化学原子力显微镜(EC-AFM)已成为原位观测锂离子电池电极变化、研究衰减机理的有效手段。然而,常规EC-AFM的图像采集速度缓慢,1帧图像通常需要几分钟时间,成为实现实时动态观测的主要瓶颈。因而,如何在电池工作所需的电化学环境下实现高速AFM成像是面临的主要挑战。

该团队近年通过开展学科交叉与交流,突破了常规AFM成像速度限制,实现了大气中AFM的视频成像。随后,通过利用具有较高谐振频率和较低弹簧常数的微小尺寸探针,在解决了激光偏转检测、组合式高/低速扫描、三电极电化学溶液池设计等关键问题基础上,自主研制成功电化学高速AFM,将成像时间从几分钟提高到几秒,实现了在快速充电过程中LiMn2O4纳米电极材料变化的动态成像,极大地拓展了EC-AFM研究电化学电池系统的能力。

在评价这项研究成果时,劳伦斯伯克利国家实验室的乔纳森·拉森(Jonathan Larson)说:“毫无疑问,基础储能科学的进步将大大受益于进一步的创造性方法的发展,这些方法可以扩大储能界面在其自然环境中的纳米表征能力,对于能够同时探测多种参量,如:时间、空间、电化学条件、化学含量、电性能、力学等是非常正确的方向”。在他看来,该团队通过将一些测量参数与其开发的‘电化学高速AFM’结合起来,在拓展电化学研究的表征工具方面做了很好的工作。“新技术跟踪电化学活性材料的纳米结构作为时间和电化学电位的函数的效果在他们结果中得到了很好的展示”。拉森很期待他们接下来的工作。

这项工作先后获得了科技部973课题、国家自然科学基金委面上和青年基金以及北航拔尖人才项目的大力支持。


论文链接:https://doi.org/10.1557/mrs.2020.309

https://dx.doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c00490

https://doi.org/10.1063/5.0024425

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