AFM的表征方法可用于检测电极层的导电性
- 关键词：原子力显微镜,纳米压痕仪,划痕测试仪
- 摘要：电池、燃料电池和电解槽对于满足我们未来的能源供应需求非常重要，对于这些应用方向，必须生产复杂的电极层。电极层的制备与涂层工艺相类似，需要无裂纹或夹杂物的均匀电极层以及干燥层的均匀涂层厚度。由于网络的最终形成发生在干燥步骤中，因此重点在于孔隙率和电极组分在层中的局部分布(平面内和平面内)。
电池、燃料电池和电解槽对于满足我们未来的能源供应需求非常重要，对于这些应用方向，必须生产复杂的电极层。电极层的制备与涂层工艺相类似，需要无裂纹或夹杂物的均匀电极层以及干燥层的均匀涂层厚度。由于网络的最终形成发生在干燥步骤中，因此重点在于孔隙率和电极组分在层中的局部分布(平面内和平面内)。
表征电极层性能的合适方法有：光学显微图像来相对快速地粗略估计所生成层的均匀性;通过能量色散X射线光谱(EDX)分析不同的组分分布情况;采用孔隙率法研究了电极中的孔结构等。除此之外还有以下方法：
原子力显微镜(AFM)
图1 安东帕TOSCA系列原子力显微镜
可用于表征各材料成分(活性材料、导电添加剂、粘合剂)的层形貌和分布，图1展示的是安东帕自研的TOSCA系列AFM。此外，AFM的表征方法可用于检测电极层的导电性，这是电化学行为以及整个制造过程的基本质量特征。
纳米压痕测试
图2 纳米压痕仪和划痕测试仪(Step 500模块化测试平台)
可提供材料参数，如电池电极层的表面硬度和杨氏模量。图2展示的是搭载安东帕纳米压痕仪和划痕测试仪的模块化测试平台，而且可以研究近边缘层的粘弹性和蠕变行为。此外，划痕试验还可以收集有关涂层附着力和与集电器连接的更多信息。
实验
(A) 硬度分布示意图
(B) 杨氏模量分布示意图
图3 对电池电极层上300 * 300 µm的区域内进行表征
在涂覆和干燥之后，所生成的电极层的机械性能受到电极组成和结构的显著影响。聚合物粘结剂在电极中的分布是一个重要的质量标准，利用原子力显微镜(AFM)对其表面进行表征可以提供一个途径。机械后压延可以进一步增加电极的能量密度，前提是孔系统仍然可以接近(后来添加的)电解液。此外，纳米压痕法可以测定硬度和杨氏模量的分布，这反过来又代表了生产过程的重要质量标准。这两个参数的典型分布如图3A和3B所示，这是以磷酸铁锂作为活性材料，通过刮刀法生产的电池电极的示例。
实验
图4 通过AFM不同模式在电池电极层上进行表征，区域5 x 5µm
(A) 形貌表征 (B) CRAI模式 (C) C-AFM模式 (D) KPFM模式
通过AFM测量电极层的表面形貌和表面粗糙度，如图4所示，表明了电极层表征尺度可从微米尺度向纳米尺度上进发的可能性。在三维形貌中，清晰可见单个颗粒和团聚物，如图4A，用接触共振振幅成像(CRAI)方法可定性地记录机械表面性能的差异。在图4B所示的样品上，可以看到很明显的光和暗区域，表明较软或更硬的区域。
除了表面形貌和力学参数的测定外，表面电性能也可以用AFM测定。用C-AFM测定了样品表面结构的局部电流。图4C显示了所示电池电极的测量结果，显示了局部不同的导电率。电原子力显微镜方法也可以用来研究化学表面性质，测量示例如图4D所示。测得的接触电位差与测试探针和样品表面之间功函数的差异相关，从而提供有关化学键状态的信息(化学材料对比)。
结论
相比于通过电镜进行局部研究以外，采用纳米压痕仪和原子力显微镜AFM的不同模式的方法不仅具有极高分辨率，而且表明了对于电极层进行定量分析是可能的。例如，在对层析成像数据进行进一步验证之后，在质量控制的下一步中，或在所生产的电极层的连续优化中，可以使用该方法。