Onderzoekers hebben een visualisatiemethode ontwikkeld die de verdeling van componenten in batterij-elektroden zal bepalen met behulp van atomaire krachtmicroscopie. De methode geeft inzicht in de optimale omstandigheden van composietelektroden en brengt ons een stap dichter bij het kunnen produceren van de volgende generatie volledig solid-state batterijen.

Lithium-ionbatterijen worden veel gebruikt in slimme apparaten en voertuigen. Echter, hun ontvlambaarheid maakt ze een veiligheidsprobleem, als gevolg van mogelijke lekkage van vloeibare elektrolyten.

All-solid-state lithium-ionbatterijen zijn naar voren gekomen als een alternatief vanwege hun betere veiligheid en bredere elektrochemische stabiliteit. Ondanks hun voordelen, all-solid-state lithium-ionbatterijen hebben nog steeds nadelen zoals beperkte ionengeleiding, onvoldoende contactgebieden, en hoge grensvlakweerstand tussen de elektrode en de vaste elektrolyt.

Om deze problemen op te lossen, Er zijn studies uitgevoerd op composietelektroden waarin lithiumionen geleidende additieven zijn gedispergeerd als een medium om ionengeleidende paden aan het grensvlak te verschaffen en de algehele ionische geleidbaarheid te verhogen.

Het is erg belangrijk om de vorm en distributie te identificeren van de componenten die in actieve materialen worden gebruikt, ionen geleiders, bindmiddelen, en geleidende additieven op microscopische schaal om de werking van de batterij aanzienlijk te verbeteren.

De ontwikkelde methode is in staat om regio's van elke component te onderscheiden op basis van gedetecteerde signaalgevoeligheid, door gebruik te maken van verschillende vormen van atoomkrachtmicroscopie op multischaalbasis, inclusief elektrochemische rekmicroscopie en laterale krachtmicroscopie.

Voor dit onderzoeksproject is zowel conventionele elektroden als composietelektroden werden getest, en de resultaten werden vergeleken. Individuele regio's werden onderscheiden en correlatie op nanoschaal tussen ionenreactiviteitsverdeling en wrijvingskrachtverdeling binnen een enkel gebied werd bepaald om het effect van de verdeling van bindmiddel op de elektrochemische stam te onderzoeken.

Het onderzoeksteam onderzocht de elektrochemische spanningsmicroscopie-amplitude/fase en laterale krachtmicroscopie-wrijvingskrachtafhankelijkheid van de AC-aandrijfspanning en de puntbelastingskracht, en gebruikten hun gevoeligheden als markers voor elke component in de composietanode.

Deze methode maakt directe observatie op meerdere schalen van de composietelektrode in omgevingscondities mogelijk, verschillende componenten onderscheiden en tegelijkertijd hun eigenschappen meten.

Hoofdauteur Dr. Hongjun Kim zei:"Het is gemakkelijk om het testmonster voor observatie voor te bereiden, terwijl het een veel hogere ruimtelijke resolutie en intensiteitsresolutie biedt voor gedetecteerde signalen." Hij voegde toe, "De methode heeft ook het voordeel dat het 3D-oppervlaktemorfologie-informatie biedt voor de waargenomen exemplaren."

Professor Seungbum Hong van het Department of Material Sciences and Engineering zei:"Deze analytische techniek met behulp van atoomkrachtmicroscopie zal nuttig zijn om kwantitatief te begrijpen welke rol elk onderdeel van een composietmateriaal speelt in de uiteindelijke eigenschappen."

"Onze methode zal niet alleen de nieuwe richting suggereren voor het ontwerpen van volledig solid-state batterijen van de volgende generatie op een multischaalbasis, maar ook de basis leggen voor innovatie in het productieproces van andere elektrochemische materialen."