电化学SPM研究锂离子在固体中的输运机制

For the past two decades, we have been experiencing a fast development of lithium-ion battery with good performance that is benefited form a better understanding of the cathode and anode as well as electrolyte materials. However, most previous studies are from a macroscopic view, and lack the information from the surface/interface of materials. To further improve the performance of lithium-ion-battery, it is important to understand these surface/interface phenomenons, including ion transportation, interface reaction, and surface strain that is induced by charge/discharge. In this project, we will use advanced scanning probe microscopy techniques,including Electrochemical Atomic Force Microscopy (EC-AFM), and Quantitative Nanomechanical Property Mapping Atomic Force Microscopy (QNM-AFM) to study the surface topography, electrical property, and mechanical property of electrodes. Combinding these advanced techniques with other traditional techniques such as XRD, SEM, TEM, we envision that some critical issues that limiting the development of high performance lithium-ion-battery can be cleared. The results evolved from this project will also shine light for further design and development of better materials for lithium-ion-battery.

为加快高性能锂离子电池的研发，改变"尝试"法筛选电池电极材料的现状，有必要利用原位纳米级高精度的表征技术对电池电极结构进行深入观察和分析。本项目将利用包括原位电化学原子力显微镜(EC-AFM)、导电原子力显微镜(C-AFM)、定量纳米力学性质测量（QNM-AFM）等先进模式的原子力显微镜技术结合其他传统分析手段如电化学阻抗谱等来研究全固态锂离子电池。针对电池电极结构、固态电解质在冲放电过程中由于锂离子迁移所引起的表面形貌结构、表面电性能以及表面应力的变化进行研究。了解使用了不同黏结剂的电极结构在充放电条件下的结构、性能变化及其对电池整体性能的影响。探索制约全固态锂离子电池实际电池容量如离子迁移速率、固固界面电阻等一些关键问题。本项目将从纳米尺度直观地揭示（准）真实条件下锂离子电池工作状态下的结构变化，所获研究结果将能够为新材料的设计和开发提供理论和基础支撑。

为加快高性能锂离子电池的研发，改变“尝试”法筛选电池电极材料的现状，有必要利用原位纳米级高精度的表征技术对电池电极结构进行深入观察和分析。本项目利用原位电化学原子力显微镜(EC-AFM)、导电原子力显微镜(C-AFM)、定量纳米力学性质测量（QNM-AFM）等先进模式的原子力显微镜技术结合其他传统分析技术如电化学和XPS来研究锂离子电池。围绕着本项目的研究计划，主要开展了如下几个方面的工作：电池电极材料制备；充放电过程中电极结构演变的原位AFM研究；锂离子输运机制的研究。通过本实验室搭建起来的电化学原子力显微镜研究锂离子电池电解液和添加剂的成膜机制，完成对石墨、钛酸锂、硅负极材料的循环稳定性机理的研究。在锂离子输运机制研究方面，利用导电AFM开展了对不同电极材料的研究，同时开展了SEI膜导电性以及SEI膜力学方面的研究。通过本项目，发表第一作者/通讯作者SCI文章6篇，以第一发明人申请中国发明专利3项，其中授权1项。通过本项目，参加国际会议1次，国内会议3次，邀请海外专家来访1次。通过本项目的实施，项目负责人在本领域建立了一定的学术声誉，作为任务负责人参与国家重点研发计划“新能源汽车”项目中有关原位AFM表征的工作。通过本项目的实施，培养了2名硕士研究生均已经顺利毕业，并获得优秀毕业生的称号。