【儀表網(wǎng) 企業(yè)動態(tài)】 　導讀:在新能源技術革命浪潮中，鋰離子電池性能突破已成為電動汽車與儲能系統(tǒng)的決勝關鍵。作為決定電池性能的核心要素，電極材料微觀結構的精準解析對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)憑借納米級表征優(yōu)勢，為揭示電極材料構效關系提供關鍵技術支持。近期，島津分析中心與上海大學張海嬌教授團隊強強聯(lián)合，在國際頂刊連續(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高精度成像與力學分析，成功實現(xiàn)微米SiO基材料、多級孔復合電極和多孔硅碳復合材料的微觀結構優(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技術優(yōu)勢
 

　　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：能夠實現(xiàn)納米級甚至亞納米級的分辨率，清晰揭示材料表面的微觀形貌和結構細節(jié)，有助于發(fā)現(xiàn)影響電池性能的關鍵因素。多功能測量：除了形貌觀察，還具備粗糙度測量、彈性模量分析、相位成像等多種功能，全面評估材料的物理化學性質(zhì)。精準定量分析：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，助力研究人員進行深入的數(shù)據(jù)分析和理論驗證。
 

 

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SiO復合材料的結構完整性評估，《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電極具有更好的結構穩(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，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性和電化學性能。
 

 

　　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：應力緩沖型多級孔硅碳復合材料的力學性能分析，《Advanced Functional Materials》
 

　　通過AFM的高分辨率成像和多功能測量，研究人員能夠深入探究材料的表面形貌、粗糙度以及力學性能。AFM測試數(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，彈性模量測量表明，該材料具有合理的機械強度，既能承受循環(huán)過程中的應力和應變，又不會因過硬而導致材料脆斷，從而在循環(huán)過程中保持較好的結構完整性，有效緩沖體積變化帶來的應力。
 

 

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

　　成果三：多孔硅碳復合材料的結構穩(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，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電極具備適中的機械強度，既能承受循環(huán)過程中的應力和應變，又不會因過硬而導致材料脆斷，展現(xiàn)出優(yōu)異的力學穩(wěn)定性。
 

 

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

　　結語
 

　　島津AFM在新能源電極材料研究中展現(xiàn)出巨大的應用價值。通過高分辨率成像和多功能測量，AFM為研究人員提供了豐富的微觀結構和性能信息，助力深入理解材料的結構-性能關系，為高性能電極材料的設計和優(yōu)化提供了堅實的實驗依據(jù)。未來，隨著新能源技術的不斷發(fā)展，島津AFM將繼續(xù)在電極材料的研究中發(fā)揮關鍵作用，推動鋰離子電池技術的進步，為實現(xiàn)更高效、更持久的能源存儲解決方案貢獻力量。
 

　　參考文獻
 

　　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.