三登国际顶刊丨岛津原子力显微镜技术揭秘新能源电极微观奥秘
导读
在新能源技术革命浪潮中，锂离子电池性能突破已成为电动汽车与储能系统的决胜关键。作为决定电池性能的核心要素，电极材料微观结构的精准解析对提升能量密度与循环寿命具有战略意义。岛津原子力显微镜（AFM）凭借纳米级表征优势，为揭示电极材料构效关系提供关键技术支持。近期，岛津分析中心与上海大学张海娇教授团队强强联合，在国际顶刊连续取得突破性成果：2篇《Advanced Functional Materials》（IF=19）与1篇《Small》（IF=12.1），通过AFM高精度成像与力学分析，成功实现微米SiO基材料、多级孔复合电极和多孔硅碳复合材料的微观结构优化，为新一代高性能锂电池研发提供重要理论支撑。
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岛津AFM技术优势
岛津AFM以其高分辨率、多功能性和优异的稳定性，为研究人员提供了深入探究电极材料微观世界的利器。高分辨率成像：能够实现纳米级甚至亚纳米级的分辨率，清晰揭示材料表面的微观形貌和结构细节，有助于发现影响电池性能的关键因素。多功能测量：除了形貌观察，还具备粗糙度测量、弹性模量分析、相位成像等多种功能，全面评估材料的物理化学性质。精准定量分析：提供精确的定量数据，如粗糙度数值、弹性模量分布等，助力研究人员进行深入的数据分析和理论验证。
图2.岛津原子力显微镜SPM-9700HT（带环境控制舱）
合作成果分享
成果一：微米级SiO复合材料的结构完整性评估，《Advanced Functional Materials》
岛津AFM用于观察材料在循环后的表面形貌。AFM测试数据（图3）显示，SiO-NC@SnO2-C电极在循环后的厚度仅从9.2μm增加到12.1μm，膨胀比率为31.5%，远低于SiO@SnO2电极的142.6%和SiO电极的183.3%。这种较低的膨胀比率表明SiO-NC@SnO2-C电极具有更好的结构稳定性，能够有效缓解SiO在循环过程中的体积膨胀问题。AFM测量的粗糙度数据显示，SiO-NC@SnO2-C电极表面较为光滑，有助于减少电极与电解液之间的副反应，提高电池的循环稳定性和电化学性能。
图3. SiO-NC@SnO2-C电极的原子力显微镜（AFM）图像及弹性模量分析
成果二：应力缓冲型多级孔硅碳复合材料的力学性能分析，《Advanced Functional Materials》
通过AFM的高分辨率成像和多功能测量，研究人员能够深入探究材料的表面形貌、粗糙度以及力学性能。AFM测试数据（图4）显示，pSi@void@NMC电极在循环后的粗糙度增加较小，弹性模量测量表明，该材料具有合理的机械强度，既能承受循环过程中的应力和应变，又不会因过硬而导致材料脆断，从而在循环过程中保持较好的结构完整性，有效缓冲体积变化带来的应力。
图4. pSi@void@NMC (a,d)、pSi@NMC(b,e)和pSi(c,f)电极的AFM图及对应弹性模量分析
成果三：多孔硅碳复合材料的结构稳定性研究，《Small》岛津AFM被用于分析材料在循环充放电过程中的表面形貌和粗糙度变化。AFM测试数据（图5）显示，pSi@PC@MC电极在循环后表面粗糙度仅为235 nm，远低于pSi@MC电极的250.1 nm和裸露pSi电极的显著增加。这种较低的粗糙度有助于减少电极与电解液之间的副反应，降低界面阻抗，从而提高电池的整体性能。此外，通过弹性模量分析，发现pSi@PC@MC电极具备适中的机械强度，既能承受循环过程中的应力和应变，又不会因过硬而导致材料脆断，展现出优异的力学稳定性。
图5. a) pSi@PC@MC和b) pSi@MC电极在循环100次后的AFM图像及对应的三维形貌图
结语
岛津AFM在新能源电极材料研究中展现出巨大的应用价值。通过高分辨率成像和多功能测量，AFM为研究人员提供了丰富的微观结构和性能信息，助力深入理解材料的结构-性能关系，为高性能电极材料的设计和优化提供了坚实的实验依据。未来，随着新能源技术的不断发展，岛津AFM将继续在电极材料的研究中发挥关键作用，推动锂离子电池技术的进步，为实现更高效、更持久的能源存储解决方案贡献力量。
参考文献
1. Biomimetics-Driven Design of Micron-Sized SiO Composites for High-Performance Lithium-Ion Batteries, Adv. Funct. Mater., 2025, 2422743.
2. A Stress-Buffering 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.