在科技發(fā)展的浪潮中，智能手機(jī)、電動(dòng)汽車等便攜式設(shè)備的普及使可充式鋰離子電池成為了現(xiàn)代生活的重要組成部分。為了適應(yīng)電子設(shè)備對(duì)續(xù)航及便攜性的更高要求，新型高性能電池的設(shè)計(jì)理念不斷推陳出新?，F(xiàn)在的陽(yáng)極材料會(huì)融入硅（Si）顆粒和聚合物粘合劑(polymer binders)，以實(shí)現(xiàn)在充放電循環(huán)中，當(dāng)體積發(fā)生顯著變化時(shí)保持穩(wěn)定的機(jī)械性質(zhì)和電氣完整性。盡管粘合劑的摩擦性能（如界面剪切強(qiáng)度等）至關(guān)重要，但它們尚未受到廣泛的關(guān)注與研究。本文中，我們將探索原子力顯微鏡（AFM）是如何測(cè)量這些新型粘合劑的摩擦性能，為可充式鋰離子電池的技術(shù)進(jìn)步提供更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。 

實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方案：

多次充放電循環(huán)過(guò)程中引發(fā)的晶體結(jié)構(gòu)不可逆改變，往往帶來(lái)的機(jī)械性質(zhì)和電學(xué)性能退化，而摩擦性能關(guān)系著充放電過(guò)程中的載流子遷移率，改善摩擦性能將直接提高電池性能與壽命。基于此，韓國(guó)蔚山大學(xué)的研究人員通過(guò)將納米摩擦技術(shù)（nanoscale tribology techniques）應(yīng)用于五種聚合物粘合劑：聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯腈（PAN）、聚乙烯醇（PVA）、羧甲基纖維素（CMC）和聚偏二氟乙烯（PVDF），來(lái)探究微觀尺度下常見粘合劑材料的摩擦學(xué)特性。通過(guò)使用AFM的硅基探針進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們可以模擬電池材料中的硅顆粒與聚合物粘合劑之間相互作用。

研究團(tuán)隊(duì)將不同聚合物膜沉積在銅基底上，通過(guò)牛津儀器MFP-3D原子力顯微鏡（Asylum Research，Oxford Instruments）的橫向力模式（lateral force microscopy ，LFM）進(jìn)行表征。氣相與液相實(shí)驗(yàn)是在封閉式流體腔（Closed Fluid Cell）附件中進(jìn)行的，測(cè)試時(shí)不會(huì)干擾樣本或移動(dòng)懸臂。這意味著可以直接在原位進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，從而降低由于樣本不一樣或粗糙度變化帶來(lái)的影響。實(shí)驗(yàn)的成功與否，取決于MFP-3D在空氣中和溶液中拍攝高分辨率圖像能力，以及定量測(cè)量摩擦曲線的能力。

封閉流體腔使得樣品和探針完全浸入到電解質(zhì)環(huán)境中（LiPF₆溶解在1:1:1的碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸乙基甲基酯中），從而最大程度模擬真實(shí)的電池內(nèi)部環(huán)境。為了能夠精確操控和定量測(cè)量所感受到的力，研究者需要校準(zhǔn)懸臂的彎折和扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)，以及水平向和垂直向的偏轉(zhuǎn)靈敏度。之后，使用掃描電子顯微鏡(SEM) 測(cè)量探針針尖的曲率半徑，并通過(guò)模型擬合從AFM力曲線計(jì)算所需的粘附功。使用MFP-3D進(jìn)行準(zhǔn)確、定量測(cè)試，是一個(gè)簡(jiǎn)單有效且經(jīng)濟(jì)的方案。

結(jié)果與分析：

進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)之前，研究人員先用MFP-3D原子力顯微鏡掃描了粘合劑材料在空氣中和LiPF6電解質(zhì)溶液中納米級(jí)形貌圖。圖像顯示，電解質(zhì)中材料的表面粗糙度通常會(huì)增加，這可能是由于聚合物（PAA，PAN，PVA，CMC）的膨脹導(dǎo)致更大的表面粗糙度。然而， PVDF的表面粗糙度卻減少了，這可能歸因于電解質(zhì)溶劑擴(kuò)散到半結(jié)晶聚合物引起的結(jié)構(gòu)變化。