原子力顯微鏡 | 電池電極層的表徵效能

電池、燃料電池和電解槽對於滿足我們未來的能源供應需求非常重要，對於這些應用方向，必須生產複雜的電極層。電極層的製備與塗層工藝相類似，需要無裂紋或夾雜物的均勻電極層以及乾燥層的均勻塗層厚度。由於網路的最終形成發生在乾燥步驟中，因此重點在於孔隙率和電極組分在層中的區域性分佈（平面內和平面內）。

表徵電極層效能的合適方法有：光學顯微影象來相對快速地粗略估計所生成層的均勻性；透過能量色散X射線光譜（EDX）分析不同的組分分佈情況；採用孔隙率法研究了電極中的孔結構等。除此之外還有以下方法：

原子力顯微鏡（AFM）

圖1 安東帕TOSCA系列原子力顯微鏡

可用於表徵各材料成分（活性材料、導電新增劑、粘合劑）的層形貌和分佈，圖1展示的是安東帕自研的TOSCA系列AFM。此外，AFM的表徵方法可用於檢測電極層的導電性，這是電化學行為以及整個製造過程的基本質量特徵。

奈米壓痕測試

圖2 奈米壓痕儀和劃痕測試儀（Step 500模組化測試平臺）

可提供材料引數，如電池電極層的表面硬度和楊氏模量。圖2展示的是搭載安東帕奈米壓痕儀和劃痕測試儀的模組化測試平臺，而且可以研究近邊緣層的粘彈性和蠕變行為。此外，劃痕試驗還可以收集有關塗層附著力和與集電器連線的更多資訊。

實驗

（A） 硬度分佈示意圖

（B） 楊氏模量分佈示意圖

圖3 對電池電極層上300 * 300 µm的區域內進行表徵

在塗覆和乾燥之後，所生成的電極層的機械效能受到電極組成和結構的顯著影響。聚合物粘結劑在電極中的分佈是一個重要的質量標準，利用原子力顯微鏡（AFM）對其表面進行表徵可以提供一個途徑。機械後壓延可以進一步增加電極的能量密度，前提是孔系統仍然可以接近（後來新增的）電解液。此外，奈米壓痕法可以測定硬度和楊氏模量的分佈，這反過來又代表了生產過程的重要質量標準。這兩個引數的典型分佈如圖3A和3B所示，這是以磷酸鐵鋰作為活性材料，透過刮刀法生產的電池電極的示例。

實驗

圖4 透過AFM不同模式在電池電極層上進行表徵，區域5 x 5µm

（A） 形貌表徵 （B） CRAI模式 （C） C-AFM模式 （D） KPFM模式

透過AFM測量電極層的表面形貌和表面粗糙度，如圖4所示，表明了電極層表徵尺度可從微米尺度向奈米尺度上進發的可能性。在三維形貌中，清晰可見單個顆粒和團聚物，如圖4A，用接觸共振振幅成像（CRAI）方法可定性地記錄機械錶面效能的差異。在圖4B所示的樣品上，可以看到很明顯的光和暗區域，表明較軟或更硬的區域。

除了表面形貌和力學引數的測定外，表面電效能也可以用AFM測定。用C-AFM測定了樣品表面結構的區域性電流。圖4C顯示了所示電池電極的測量結果，顯示了局部不同的導電率。電原子力顯微鏡方法也可以用來研究化學表面性質，測量示例如圖4D所示。測得的接觸電位差與測試探針和樣品表面之間功函式的差異相關，從而提供有關化學鍵狀態的資訊（化學材料對比）。

結論

相比於透過電鏡進行區域性研究以外，採用奈米壓痕儀和原子力顯微鏡AFM的不同模式的方法不僅具有極高解析度，而且表明了對於電極層進行定量分析是可能的。例如，在對層析成像資料進行進一步驗證之後，在質量控制的下一步中，或在所生產的電極層的連續最佳化中，可以使用該方法。