应用分享|真正“看见”电池循环时的结构变化

随着社会的高速发展，使用到能源的产品越来越多，除了增加发电效率或是拓展获取能源的手段之外，改良能源存储（即电池）也是相当重要的。电池不仅可以用在电网等基础建设上，在生活中，电动汽车、手机，甚至物联网都十分依赖电池的效能，与其相关的研究也随之火热发展。

在提起电池研究时，在脑中最先浮起的印象大概就是一个电化学装置，其中牵涉到电流、内部离子流和化学反应。但其实电池在充放电时，在电极表面和界面结构上也会发生变化，而这对电池的效能和寿命有着非常重要的影响。

要观察测量这些结构变化并不容易，以大部分的电池架构来看，在实际电池充放电时，是无法看见内部的。对光学显微镜和电子显微镜来说，观测充放电中的电池并不可行，但原子力显微镜（AFM）却有其潜力，搭配电化学池配件，AFM 可以在电化学反应的当下进行成像。

以锂电池技术为例，固体电解质界面（solid-electrolyte interphase, SEI）会在电池放电时形成，充电时溶解，如下图中，黄色虚线框标出的位置。SEI 的结构会随着使用时间、电荷状态和充放电循环数而改变，进而影响到电池容量、额定输出电压、使用寿命，甚至安全性等。因此能够了解更多 SEI 的特性，将有助于制造更好、更持久、更安全的电池。

使用 Cypher ES AFM 及电化学池，并且与手套箱联用，能够让锂氧电池（Li-O2）在一个完好的受控环境中进行反应，与此同时 Cypher ES 还能够抵御手套箱操作所产生的振动和噪声，提供电池充放电时的高分辨成像，下图即为电池负极上的SEI膜在放电过程中的成核（左）和充电过程中的溶解（右）。

在如今环保意识抬头的趋势下，我们对电池的依赖日趋增加，这也使得我们对电池容量、安全性和效能提升的要求越来越多。Asylum Research AFM 提供原位表征电池的手段，为推动新储能增添更深的见解。