应用分享|电池充放电带来 SEI ，AFM 带来表征它的手段

0 1

引    言

随着社会的高速发展，全球对电池容量的需求急剧增长，研究改进电池材料也成为现今一项热门领域。目前主要的研究方法是通过传统的电化学循环技术以及光谱分析法来对电池的化学特性、组成部件以及电池的整体性能进行分析，但若是能在纳米尺度上表征电池材料，那么还是对电池研究有很大助益的。原子力显微镜（ AFM ）以一根探针作为媒介，与样品表面接触相互作用，从而得到微纳尺度上样品的形貌、导电性、分子排列及力学等各种特性，是个可以提供表征分析电池材料及其工作原理的理想仪器。

0 2

SEI 形成过程与充放电过程中 SEI 的结构变化

SEI 是在电池充电放电过程中形成于电极表面的钝化层，它会影响阴极和阳极的界面性能，从而影响电池的容量、放电动力学、以及长期稳定性，而锂离子电池的电极通常是碳基材料或复合材料。在近期发布的一项工作中，科研人员观测到高定向热解石墨（ HOPG ）电极材料在电解液（ 1 M LiPF6 in 50/50 EC/DMC ）中 SEI 的成核与生长过程。

如图所示，在 HOPG 电极表面出现了气泡，这是在含有微量水分子的碳酸乙烯（ EC ）电解液中经常出现的现象。这是因为微量水分子被插入在 HOPG 层间并被电解成为气态因而形成气泡。除此另外，图中还展示了在循环的开始和结束时样品表面的 20 微米范围的成像，以及在整个循环伏安过程中的 5 微米成像。不难看出，SEI 首先形成于当电压逐渐减小的过程中（图 A - E ），而随着电压逐渐增大，水分子则被插入层间并产生气泡（图 F - I ）。

其中，在图 D 中随着扫描自下而上进行，SEI 在某一扫描线后突然出现，这也对应着循环伏安曲线中黄色 D 部分陡峭的法拉第电流尖峰。在 20 微米扫描范围的图像，可以明显看出在 SEI 形成过程中，样品表面粗糙度的剧烈变化。

图 1  在 1 M LiPF6 的 50 / 50 v/v EC / DMC 电解液溶液中记录 HOPG 电极的伏安图，并在其中标记的九点取得形貌图

AFM 原位测量

原位 AFM 测试是一种相对更复杂的测试方法。当电池内关键的电化学反应都发生在电解液—电极的界面，研究人员需要能够精准控制样品所处环境，并在特定的电压下对这一界面进行成像表征。这种测试方法可以应用在诸多领域，如能源存储、催化、生物传感和其他电化学技术等。

0 3

关 键 技 术

blueDrive™ 光热激励

blueDrive™ 光热激励配件可以使轻敲模式技术更简单、更稳定，也更量化，可应用测量形貌，以及测量机械、电学和磁学性能。blueDrive™ 光热激励能够以光热的方式，直接激励悬臂，从而产生理想的响应。

操作非常简便

测量非常精准

性能非常稳定

完全密封的液体相腔室

适用于 Cypher ES 的“液相悬臂架”可以创造一个完全密封的液相环境，从而使液相环境下的测量更加简便，并避免泄漏的风险。

在一个完全密封的液相环境下进行成像

易于设置和使用

可避免液体泄漏的风险，从而防止对原子力显微镜造成损害

0 4

相 关 产 品

MFP - 3D 系列是具有完善多功能体系的原子力显微镜，它在进行高分辨率成像的同时还可以兼容各种功能性附件，包括电化学池。

Asylum Research 原子力显微镜

Jupiter XR 系列作为大样品台 AFM ，可以在 200 mm（ 8 英寸）直径的样品上采集 100 × 100 微米的图像。它可以在保证超高分辨率的同时进行高通量的测试，它同样可以配备多种功能性附件从而对样品所处环境进行准确调控，其可搭载的附件仍在持续扩充中。

Jupiter XR 系列

Cypher ES 系列提供高分辨率，具备最完善的环境控制功能。具有一个完全封闭的样品腔，并可以搭配电化学池使用，从而实现对空气敏感的电池材料进行研究。

Cypher ES 系列

参考文献：

Reference: Luchkin, S. Y., Lipovskikh, S. A., Katorova, N. S., Savina, A. A., Abakumov, A. M., & Stevenson, K. J. (2020). Solid-electrolyte interphase nucleation and growth on carbonaceous negative electrodes for Li-ion batteries visualized with in situ atomic force microscopy. Scientific reports, 10(1), 1-10.