原子力显微镜（AFM）在电池电极层的表征应用
电池、燃料电池和电解槽对于满足我们未来的能源供应需求非常重要，对于这些应用方向，必须生产复杂的电极层。电极层的制备与涂层工艺相类似，需要无裂纹或夹杂物的均匀电极层以及干燥层的均匀涂层厚度。由于网络的最终形成发生在干燥步骤中，因此重点在于孔隙率和电极组分在层中的局部分布（平面内和平面内）。
原子力显微镜（Atomic Force Microscope，AFM）是一种高分辨率的显微镜，能够以纳米级别的精度研究材料表面结构和性质。
原子力显微镜* 其核心功能是通过一个极其尖锐的探针（探针尖端的曲率半径可达纳米级）来“触摸”或“感知”样品表面。
与光学显微镜依赖光波、电子显微镜依赖电子束不同，AFM依赖的是探针尖端的原子与样品表面原子之间极其微弱的相互作用力（如范德华力、静电力、磁力、毛细力等）来获取信息。
图1. AFM示意图。DOI: 10.1016/j.micron.2023.103460
通过精确控制探针在样品表面的逐点扫描，AFM不仅能够以纳米甚至原子级别的分辨率生成样品表面的三维形貌图像，还能同步测量和表征样品的多种物理化学性质，如硬度、弹性、摩擦力、粘附力、电学、磁学及热学特性等。
这种多功能性使其适用于从硬质材料到柔软生物样本的各种研究对象，并且可以在大气、液体、真空等多种环境下工作。
(A) 硬度分布示意图
(B) 杨氏模量分布示意图
图2 对电池电极层上300 * 300 µm的区域内进行表征
在涂覆和干燥之后，所生成的电极层的机械性能受到电极组成和结构的显著影响。聚合物粘结剂在电极中的分布是一个重要的质量标准，利用原子力显微镜（AFM）对其表面进行表征可以提供一个途径。机械后压延可以进一步增加电极的能量密度，前提是孔系统仍然可以接近（后来添加的）电解液。此外，纳米压痕法可以测定硬度和杨氏模量的分布，这反过来又代表了生产过程的重要质量标准。这两个参数的典型分布如图2A和2B所示，这是以磷酸铁锂作为活性材料，通过刮刀法生产的电池电极的示例。
图3 通过AFM不同模式在电池电极层上进行表征，区域5 x 5µm
(A) 形貌表征 (B) CRAI模式 (C) C-AFM模式 (D) KPFM模式
通过AFM测量电极层的表面形貌和表面粗糙度，如图3所示，表明了电极层表征尺度可从微米尺度向纳米尺度上进发的可能性。在三维形貌中，清晰可见单个颗粒和团聚物，如图3A，用接触共振振幅成像（CRAI）方法可定性地记录机械表面性能的差异。在图3B所示的样品上，可以看到很明显的光和暗区域，表明较软或更硬的区域。
除了表面形貌和力学参数的测定外，表面电性能也可以用AFM测定。用C-AFM测定了样品表面结构的局部电流。图3C显示了所示电池电极的测量结果，显示了局部不同的导电率。电原子力显微镜方法也可以用来研究化学表面性质，测量示例如图3D所示。测得的接触电位差与测试探针和样品表面之间功函数的差异相关，从而提供有关化学键状态的信息（化学材料对比）。
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适用样品与送样须知
7. 若是要测试薄膜厚度，先把薄膜和基底作出一个边界清除的台阶。
