Forskare har utvecklat en visualiseringsmetod som ska bestämma fördelningen av komponenter i batterielektroder med hjälp av atomkraftsmikroskopi. Metoden ger insikter i de optimala förhållandena för kompositelektroder och tar oss ett steg närmare att kunna tillverka nästa generations helsolid-state-batterier.

Litiumjonbatterier används ofta i smarta enheter och fordon. Dock, deras brandfarlighet gör dem till ett säkerhetsproblem, som härrör från potentiellt läckage av flytande elektrolyter.

All-solid-state litiumjonbatterier har dykt upp som ett alternativ på grund av deras bättre säkerhet och bredare elektrokemiska stabilitet. Trots sina fördelar, helsolid-state litiumjonbatterier har fortfarande nackdelar som begränsad jonledningsförmåga, otillräckliga kontaktytor, och högt gränssnittsmotstånd mellan elektroden och fast elektrolyt.

För att lösa dessa problem, studier har utförts på kompositelektroder där litiumjonledande tillsatser dispergeras som ett medium för att tillhandahålla jonledande banor vid gränssnittet och öka den totala jonledningsförmågan.

Det är mycket viktigt att identifiera formen och fördelningen av komponenterna som används i aktiva material, jonledare, pärmar, och ledande tillsatser i mikroskopisk skala för att avsevärt förbättra batteriets driftprestanda.

Den utvecklade metoden kan särskilja regioner av varje komponent baserat på detekterad signalkänslighet, genom att använda olika metoder för atomkraftsmikroskopi på flerskalabasis, inklusive elektrokemisk stammikroskopi och lateral kraftmikroskopi.

För detta forskningsprojekt, både konventionella elektroder och kompositelektroder testades, och resultaten jämfördes. Enskilda regioner utmärktes och nanoskala korrelation mellan jonreaktivitetsfördelning och friktionskraftsfördelning inom en enda region bestämdes för att undersöka effekten av fördelningen av bindemedel på den elektrokemiska stammen.

Forskargruppen undersökte den elektrokemiska töjningsmikroskopi amplitud/fas och lateral kraft mikroskopi friktionskraft beroende av AC drivspänningen och spetsbelastningskraften, och använde deras känslighet som markörer för varje komponent i kompositanoden.

Denna metod möjliggör direkt observation i flera skalor av kompositelektroden i omgivande tillstånd, särskilja olika komponenter och mäta deras egenskaper samtidigt.

Huvudförfattaren Dr Hongjun Kim sa, "Det är lätt att förbereda testprovet för observation samtidigt som det ger mycket högre rumslig upplösning och intensitetsupplösning för detekterade signaler." Han lade till, "Metoden har också fördelen att tillhandahålla 3-D ytmorfologiinformation för de observerade proverna."

Professor Seungbum Hong från institutionen för materialvetenskap och teknik sa:"Denna analytiska teknik som använder atomkraftsmikroskopi kommer att vara användbar för att kvantitativt förstå vilken roll varje komponent i ett kompositmaterial spelar i de slutliga egenskaperna."

"Vår metod kommer inte bara att föreslå den nya riktningen för nästa generations helsolid-state batteridesign på en multiskala basis utan också lägga grunden för innovation i tillverkningsprocessen av andra elektrokemiska material."