Development of electrochemical high-speed atomic force microscopy for visualizing dynamic processes of battery electrode materials

材料科学 电极 纳米技术 电池(电) 电解质 水平扫描速率 循环伏安法 电化学 光电子学 功率(物理) 化学 物理 物理化学 量子力学
作者
Zhengliang Liu,Zhuanfang Bi,Yang Shang,Yaowen Liang,Peifa Yang,Xiao Li,Chuandi Zhang,Guangyi Shang
出处
期刊:Review of Scientific Instruments [American Institute of Physics]
卷期号:91 (10) 被引量:9
标识
DOI:10.1063/5.0024425
摘要

Development of lithium ion batteries with ultrafast charging rate as well as high energy/power densities and long cycle-life is one of the imperative works in the field of batteries. To achieve this goal, it requires not only to develop new electrode materials but also to develop nano-characterization techniques that are capable of investigating the dynamic evolution of the surface/interface morphology and property of fast charging electrode materials during battery operation. Although electrochemical atomic force microscopy (EC-AFM) holds high spatial resolution, its imaging speed is too slow to visualize dynamics occurring on the timescale of minutes. In this article, we present an electrochemical high-speed AFM (EC-HS-AFM), developed by addressing key technologies involving optical detection of small cantilever deflection, dual scanner capable of high-speed and wide-range imaging, and electrochemical cell with three electrodes. EC-HS-AFM imaging from 1 fpm to ∼1 fps with a maximum scan range of 40 × 40 µm2 has been stably and reliably realized. Dynamic morphological changes in the LiMn2O4 nanoparticles during cyclic voltammetry measurements in the 0.5 mol/l Li2SO4 solution were successfully visualized. This technique will provide the possibility of tracking dynamic processes of fast charging battery materials and other surface/interface processes such as the formation of the solid electrolyte interphase layer.
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