鋰離子電池

鋰離子電池（LIB）是21世紀以來最為熱門的儲能器件之一，具有能量密度高、單體輸出電壓高、循環(huán)性能*、可快速充放電和使用壽命長等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品、電動汽車和新能源電站的儲能電源系統(tǒng)等[1]。

LIB主要是由正極材料、負極材料、隔膜、電解液和外殼組成。其中，正極材料作為鋰離子的主要來源，負極材料是提供比容量的重要因素，隔膜提供鋰離子傳輸?shù)奈⒖淄ǖ?。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，充電時，鋰離子（Li+）從正極脫出在電解液中穿過隔膜到達負極并嵌入到負極晶格中，此時正極處于貧鋰態(tài)，負極處于富鋰態(tài)；而放電時，Li+再從富鋰態(tài)的負極脫出再次在電解液中穿過隔膜到達貧鋰態(tài)的正極并插入正極晶格中，此時正極處于富鋰態(tài)，負極處于貧鋰態(tài)[2]。

圖1 鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖

基于國儀量子自主研制的掃描電子顯微鏡，在鋰離子電池領(lǐng)域中可以對正極材料、負極材料、隔膜等進行快速、可靠的材料檢測，避免因原料質(zhì)量低、引入雜質(zhì)、加工工藝不當(dāng)引起的電池失效。助力鋰電材料的深入研究，進而從各個方面改善鋰離子電池性能。

國儀量子電子顯微鏡產(chǎn)品全景圖

掃描電鏡在鋰電正極材料中的應(yīng)用

正極材料是鋰離子電池中的“鋰源”，通常既要提供充放電時在正負極之間往返的鋰離子，又要提供鋰離子電池首圈充放電形成的固體電解質(zhì)相界面(簡稱SEI)膜時于負極所消耗掉的鋰離子。電池功率受到正極材料的結(jié)構(gòu)、摻雜改性、表面包覆及制備工藝等多種因素的影響[1]。開發(fā)具有安全、經(jīng)濟、高性能、大容量等優(yōu)點的正極材料將有效地促進LIB的廣泛應(yīng)用[3]。

如圖2和圖3所示，掃描電子顯微鏡不僅可以對正極材料的漿料和極片進行粒徑分析和整體形貌的拍攝，而且為特定的正極材料體系深入研究和探索提供了有力條件。使用掃描電子顯微鏡可以對調(diào)漿后的正極材料以及經(jīng)涂布、輥壓后極片表面的正極活性物質(zhì)分布、導(dǎo)電添加劑均勻性程度和分散性進行檢測。

另外借助掃描電子顯微鏡可對正極材料及其前驅(qū)體的單顆粒形貌、顆粒分布情況進行表征。據(jù)掃描電子顯微鏡呈現(xiàn)的結(jié)果可以針對性幫助正極材料進行設(shè)計和改進，大幅度提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及LIB的性能。

圖2-1 正極漿料/10kV/ETD

圖2-2 正極極片/3kV/Inlens

圖3-1 三元正極前驅(qū)體/3kV/Inlens

圖3-2 磷酸鐵/3kV/BSE

圖3-3 錳酸鋰/5kV/ETD

圖3-4 磷酸鐵鋰/15kV/ETD

掃描電鏡在鋰電負極材料中的應(yīng)用

負極的鋰離子插入能力是決定鋰離子電池性能的主要因素。為了追隨先進正極材料的發(fā)展，需要開發(fā)大容量的負極材料來提高整個鋰離子電池的性能。自1991年對石墨商業(yè)化生產(chǎn)以來，石墨一直作為主要的負極材料。石墨具有成本低、無毒性、重復(fù)循環(huán)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點[4]。由圖4和5可知，掃描電鏡可以對調(diào)漿后的材料以及涂覆后的極片進行表面形貌分析，同時對石墨負極進行尺寸、形狀圖像分析，以幫助解釋不同石墨負極引起的LIB性能差異。利用掃描電子顯微鏡可以清晰觀察到石墨表面的片層結(jié)構(gòu)形貌。

圖4-1 負極漿料/3kV/Inlens

圖4-2 負極極片/10kV/ETD

圖4-3 負極極片/3kV/Inlens

圖5-1 石墨負極/5kV/ETD

圖5-2 球形石墨表面/3kV/ETD

掃描電鏡在鋰電隔膜中的應(yīng)用

作為鋰電池的關(guān)鍵材料，隔膜在其中扮演著隔絕電子的作用，既可以阻止正負極直接接觸，又可以允許電解液中鋰離子自由通過。隔膜對于保障電池的安全運行有至關(guān)重要的作用[5]。當(dāng)前，市場上商業(yè)化的鋰電隔膜主要是以聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）為主的微孔聚烯烴隔膜，這類高分子材料憑借著較低的成本、良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于鋰電隔膜中。國儀量子掃描電子顯微鏡可以在低壓下直接觀察到隔膜表面的精細結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)拍攝的形貌圖像照片可以對隔膜進行孔徑和孔隙率分析（圖6）。

圖6-1 隔膜/5kV/ETD

圖6-2 干法拉伸隔膜/0.5kV/Inlens

鋰電材料分析測試前沿解決方案

國儀量子以先進的量子精密測量技術(shù)為核心，聚焦科學(xué)儀器主航道，推出了一系列“人無我有”“人有我優(yōu)”的高duan科學(xué)儀器，針對鋰離子電池行業(yè)推出了系統(tǒng)化的原材料檢測分析與產(chǎn)品質(zhì)量檢測方案。基于國儀量子自主研制的掃描電鏡、比表面及孔徑分析儀、電子順磁共振波譜儀等高duan科學(xué)儀器，可分別對鋰離子電池的負極材料、正極材料、隔膜等原材料進行檢測，避免因原料質(zhì)量低、引入雜質(zhì)和加工工藝不當(dāng)而引起的電池失效。

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參考資料

[1]陳港欣,孫現(xiàn)眾,張熊 等. 高功率鋰離子電池研究進展[J].工程科學(xué)學(xué)報,2022,44(04):612-624.

[2]郭炳焜, 徐徽, 王先友, 等. 鋰離子電池[M]. 長沙: 中南大學(xué)出版社, 2005: 48-65.

[3]李仲明，李斌，馮東，曾天標(biāo).鋰離子電池正極材料研究進展[J].復(fù)合材料學(xué)報,2022,39(2): 513-527.

[4]彭盼盼，來雪琦，韓嘯，伊廷鋒.鋰離子電池負極材料的研究進展[J].有色金屬工程,2021,11(11): 80-91

[5]王振華，彭代沖，孫克寧.鋰離子電池隔膜材料研究進展[J].化工學(xué)報,2018,69(1): 282-294