電池、燃料電池和電解槽對(duì)于滿足我們未來(lái)的能源供應(yīng)需求非常重要，對(duì)于這些應(yīng)用方向，必須生產(chǎn)復(fù)雜的電極層。電極層的制備與涂層工藝相類(lèi)似，需要無(wú)裂紋或夾雜物的均勻電極層以及干燥層的均勻涂層厚度。由于網(wǎng)絡(luò)的最終形成發(fā)生在干燥步驟中，因此重點(diǎn)在于孔隙率和電極組分在層中的局部分布（平面內(nèi)和平面內(nèi)）。

表征電極層性能的合適方法有：光學(xué)顯微圖像來(lái)相對(duì)快速地粗略估計(jì)所生成層的均勻性；通過(guò)能量色散X射線光譜（EDX）分析不同的組分分布情況；采用孔隙率法研究了電極中的孔結(jié)構(gòu)等。除此之外還有以下方法：

原子力顯微鏡（AFM）

圖1 安東帕TOSCA系列原子力顯微鏡

可用于表征各材料成分（活性材料、導(dǎo)電添加劑、粘合劑）的層形貌和分布，圖1展示的是安東帕自研的TOSCA系列AFM。此外，AFM的表征方法可用于檢測(cè)電極層的導(dǎo)電性，這是電化學(xué)行為以及整個(gè)制造過(guò)程的基本質(zhì)量特征。

納米壓痕測(cè)試

圖2?納米壓痕儀和劃痕測(cè)試儀（Step 500模塊化測(cè)試平臺(tái)）

可提供材料參數(shù)，如電池電極層的表面硬度和楊氏模量。圖2展示的是搭載安東帕納米壓痕儀和劃痕測(cè)試儀的模塊化測(cè)試平臺(tái)，而且可以研究近邊緣層的粘彈性和蠕變行為。此外，劃痕試驗(yàn)還可以收集有關(guān)涂層附著力和與集電器連接的更多信息。

實(shí)驗(yàn)

(A) 硬度分布示意圖

(B) 楊氏模量分布示意圖

圖3? 對(duì)電池電極層上300 * 300 μm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行表征

在涂覆和干燥之后，所生成的電極層的機(jī)械性能受到電極組成和結(jié)構(gòu)的顯著影響。聚合物粘結(jié)劑在電極中的分布是一個(gè)重要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，利用原子力顯微鏡（AFM）對(duì)其表面進(jìn)行表征可以提供一個(gè)途徑。機(jī)械后壓延可以進(jìn)一步增加電極的能量密度，前提是孔系統(tǒng)仍然可以接近（后來(lái)添加的）電解液。此外，納米壓痕法可以測(cè)定硬度和楊氏模量的分布，這反過(guò)來(lái)又代表了生產(chǎn)過(guò)程的重要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)參數(shù)的典型分布如圖3A和3B所示，這是以磷酸鐵鋰作為活性材料，通過(guò)刮刀法生產(chǎn)的電池電極的示例。

實(shí)驗(yàn)

圖4 通過(guò)AFM不同模式在電池電極層上進(jìn)行表征，區(qū)域5 x 5μm

(A) 形貌表征 ?(B) CRAI模式 ?(C) C-AFM模式 ?(D) KPFM模式

通過(guò)AFM測(cè)量電極層的表面形貌和表面粗糙度，如圖4所示，表明了電極層表征尺度可從微米尺度向納米尺度上進(jìn)發(fā)的可能性。在三維形貌中，清晰可見(jiàn)單個(gè)顆粒和團(tuán)聚物，如圖4A，用接觸共振振幅成像（CRAI）方法可定性地記錄機(jī)械表面性能的差異。在圖4B所示的樣品上，可以看到很明顯的光和暗區(qū)域，表明較軟或更硬的區(qū)域。

除了表面形貌和力學(xué)參數(shù)的測(cè)定外，表面電性能也可以用AFM測(cè)定。用C-AFM測(cè)定了樣品表面結(jié)構(gòu)的局部電流。圖4C顯示了所示電池電極的測(cè)量結(jié)果，顯示了局部不同的導(dǎo)電率。電原子力顯微鏡方法也可以用來(lái)研究化學(xué)表面性質(zhì)，測(cè)量示例如圖4D所示。測(cè)得的接觸電位差與測(cè)試探針和樣品表面之間功函數(shù)的差異相關(guān)，從而提供有關(guān)化學(xué)鍵狀態(tài)的信息（化學(xué)材料對(duì)比）。

結(jié)論

相比于通過(guò)電鏡進(jìn)行局部研究以外，采用納米壓痕儀和原子力顯微鏡AFM的不同模式的方法不僅具有極高分辨率，而且表明了對(duì)于電極層進(jìn)行定量分析是可能的。例如，在對(duì)層析成像數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證之后，在質(zhì)量控制的下一步中，或在所生產(chǎn)的電極層的連續(xù)優(yōu)化中，可以使用該方法。

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