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島津原子力顯微鏡-鉛酸電池界面研究
島津原子力顯微鏡
鉛酸電池
以鉛酸電池和鋰離子電池為代表的二次電池，為了提高充放電特性、耐久性等性能，一般會向電解液中添加添加劑。到目前為止，已有種類繁多而且性能優異的添加劑被廣泛使用到各類二次電池中。然而，迄今為止，這些添加劑如何提高電池性能的原理仍不甚明了。觀察電解質中負極附近的界面狀態對于闡明添加劑的貢獻很重要。
鉛酸電池是一種具有多種優點的二次電池，包括出色的安全性、寬工作溫度范圍和大電流放電。由于這些原因，它們被廣泛應用于不間斷電源（UPS）設備、公共設施應急電源設備以及汽車發動機啟停系統的啟動電池，成為社會基礎設施*的一部分。然而，鉛酸電池在使用過程中會發生負極的硫酸鹽化，并因此導致電池性能劣化。在電解液中增加添加劑可以緩解這一問題。磺化木質素是一種具有代表性的添加劑。然而，但木質素如何促進電化學反應和硫酸化的緩解直到現在仍未闡明。
SPM-8100FM使用調頻(FM)方法可以檢測到比傳統原子力顯微鏡(AFM)更小的力。因此使用SPM-8100FM高分辨率原子力顯微鏡和電化學溶液電池，觀察稀硫酸環境下鉛的固液界面狀態，有助于理解添加劑的作用原理。
以上兩張圖顯示了在初始還原反應后對垂直于鉛表面的截面進行成像得到的負極(鉛)固液界面處的圖像。圖像的上半部分是電解液，圖像下半部分變暗的位置是鉛表面。探針檢測到力（排斥力）的部分看起來很亮。
在左圖僅有稀硫酸的情況下，在鉛表面上方沒有觀察到明顯的特異變化。但在右圖中，使用“稀硫酸+木質素"的情況下，可以在鉛表面上方看到明顯的不同亮度分層，如圖中紅色箭頭所示區域。判斷該層為木質素-鉛絡合物，該層的存在有助于鉛表面硫酸化程度降低，從而有效抑制了硫酸鉛的結晶形成。木質素-鉛層的與鉛表面、液體部分的不同亮度對比表明探針已經深入到該層中，同時也表明木質素-鉛層以柔軟的狀態吸附在鉛表面。這是使用原子力顯微鏡第一次在鉛表面上看到厚度為50nm至100nm的木質素-鉛層。
該實驗證明了用高分辨原子力顯微鏡對電化學表面進行觀察的可能性，有助于獲得更多的電催化過程中界面處的信息，從而提高我們對反應過程的理解。因此可以期待利用SPM-8100FM進行電解質的界面成像來分析其他類型的二次電池充放電過程固液界面處的狀態變化。
SPM-8100FM
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