島津原子力顯微鏡技術揭秘新能源電極微觀奧秘

　　【儀表網 企業動態】 　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壽命具有戰略意義。島津原子力顯微鏡(AFM)憑借納米級表征優勢，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合，在國際頂刊連續取得突破性成果：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化，為新一代高性能鋰電池研發提供重要理論支撐。
 

 

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　　島津AFM技術優勢
 

　　島津AFM以其高分辨率、多功能性和優異的穩定性，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，有助于發現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。精準定量分析：提供精確的定量數據，如粗糙度數值、彈性模量分布等，助力研究人員進行深入的數據分析和理論驗證。
 

 

圖2.島津原子力顯微鏡SPM-9700HT(帶環境控制艙)
 

　　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后的表面形貌。AFM測試數據(圖3)顯示，SiO-NC@SnO2-C電極在循環后的厚度僅從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定性，能夠有效緩解SiO在循環過程中的體積膨脹問題。AFM測量的粗糙度數據顯示，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，提高電池的循環穩定性和電化學性能。
 

 

　　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測試數據(圖4)顯示，pSi@void@NMC電極在循環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定性研究，《Small》島津AFM被用于分析材料在循環充放電過程中的表面形貌和粗糙度變化。AFM測試數據(圖5)顯示，pSi@PC@MC電極在循環后表面粗糙度僅為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，發現pSi@PC@MC電極具備適中的機械強度，既能承受循環過程中的應力和應變，又不會因過硬而導致材料脆斷，展現出優異的力學穩定性。
 

 

　　圖5. a) pSi@PC@MC和b) pSi@MC電極在循環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化提供了堅實的實驗依據。未來，隨著新能源技術的不斷發展，島津AFM將繼續在電極材料的研究中發揮關鍵作用，推動鋰離子電池技術的進步，為實現更高效、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.