KAIST 确定了纳米级电池分析中伪影的原因，为更可靠的测量铺平了道路

看似表明离子在电池内移动的信号实际上可能是由不平坦的表面引起的错觉。韩国科学技术院的研究小组发现了这种伪影的出现，这种伪影可能导致研究人员误解电池内部发生的情况，并开发了一种方法来减少这种伪影。这些发现预计将能够准确分析离子淌度并提高下一代电池（包括固态电池和钠离子电池）的可靠性。

韩国科学技术院（校长裴忠植）9月7日宣布，由材料科学与工程系Seungbum Hong教授领导的研究小组与该系Jong Min-yuk教授和化学与生物分子工程系Nam-Soon Choi教授的研究小组合作，可以确定电池工程测量的原因。被误认为是实际的离子传输。该团队还提出了一种减少这种伪影的方法。

在充电和放电过程中，锂离子或钠离子在电池内部来回移动。这些离子移动的速度和难易程度会影响电池的性能和寿命。因此，开发更好的电池需要研究人员准确确定离子在哪里可以自由移动以及在哪里移动受到阻碍。

用于此类分析的一种技术是电化学应变显微镜 (ESM)，它基于原子力显微镜 (AFM)。 ESM 用极细的尖端扫描电池材料的表面，并测量与离子运动相关的材料的纳米级变化，使研究人员能够间接跟踪离子传输。

问题在于，当电池材料的表面粗糙时，即使没有实际的离子运动，也会出现类似的信号。如果这些信号被解释为离子传输的证据，研究人员可能会错误地确定离子在材料内移动的位置。

为了调查这些伪影的起源，研究小组在离子不活泼的单晶硅样品上做了精细的划痕。这创造了一个测试环境，其中没有离子被固定，而样品表面仍然不平坦。

定量结果表明，仅改变表面高度就可以改变显微镜尖端与样品之间的接触程度，产生与真实离子运动类似的信号。

在实际电池材料中也观察到类似的现象。当团队分析石墨阳极和固体钠 Na2Zn2TeO₆ 电解质时，ESM 信号也随着表面形貌的变化而变化。这证实了该问题并不限于特定材料，而是研究人员在对各种电池材料进行纳米级分析时应考虑的现象。

作为解决方案，该团队建议使电池材料的表面尽可能平坦和光滑。为了实现这一目标，研究人员使用了冷却十字形抛光机 (CCP)，它使用氩 (Ar) 离子束来精确抛光样品切片。由于氩气在大多数条件下具有化学惰性，因此该方法可以在不改变样品特性的情况下进行精确的表面处理。

这种处理显着降低了表面粗糙度，进而减少了由粗糙表面引起的测量伪影。该机构可以比作一辆在崎岖不平的道路上行驶时可以上下移动的汽车：当扫描仪的尖端经过电池材料表面的高度变化时，该点与样品之间的接触程度会发生变化。这些变化可以产生由离子的实际运动引起的信号。

该团队特别检查了在晶界处检测到的信号，晶界是构成电池材料的微小晶体相遇的界面，例如相邻板之间的接缝。

在平滑表面之前，在这些晶界处发现了强 ESM 信号。但抛光表面后，增强的信号消失了。这一发现表明，之前被解释为“促进离子传输的路径”证据的一些信号实际上可能是由表面高度变化而不是真正的离子运动引起的。

这项研究很重要，因为它通过实验展示了纳米级电池分析中这种类型的测量伪影是如何发生的，并表明可以使用一种实用的方法来平滑电池材料的表面来减少这种伪影。

这些发现预计将有助于更好地了解离子在电池内的自由移动位置和被阻挡位置。这些见解可以为设计促进离子传输的电池材料提供重要基础，从而实现更快的充电和更长的电池寿命。

该团队预计这种分析方法不仅适用于广泛使用的锂离子电池，也适用于下一代系统。其中包括使用固体电解质而不是液体电解质的固态电池，以及使用钠离子而不是锂离子的钠离子电池。这种方法可以帮助研究人员更好地了解这些电池的工作原理并支持新材料的设计。

此外，收集可靠的纳米级分析数据可以为人工智能（AI）和机器学习提供高质量的训练集，旨在设计新的电池材料并预测其性能。

“这项研究清楚地表明了表面高度的变化如何影响电池材料纳米级分析的结果，”洪教授说。 “我们希望我们的发现能够精确跟踪电池内的离子运动，并有助于理解下一代材料的工作机制和改进材料的设计。”

材料科学与工程系博士生陈冬艳为该研究的第一作者，该研究发表在 小方法专门研究材料科学和纳米技术的国际期刊。

※ 论文题目：《电池材料接触刚度变化引起的DART-ESM中形貌串扰的定量分析》
数字编号：

这项工作得到了韩国政府科学和信息通信技术部 (MSIT) 资助的韩国国家研究基金会 (NRF) 的资助（编号 RS-2026-25468150 和 RS-2023-00247245）。