鋰離子電池

鋰離子電池（LIB）是21世紀以來(lái)最為熱門(mén)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(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于消費電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車(chē)和新能源電站的儲能電源系統等[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(lái)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的微孔通道。其結構示意圖如圖1所示，充電時(shí)，鋰離子（Li+）從正極脫出在電解液中穿過(guò)隔膜到達負極并嵌入到負極晶格中，此時(shí)正極處于貧鋰態(tài)，負極處于富鋰態(tài)；而放電時(shí)，Li+再從富鋰態(tài)的負極脫出再次在電解液中穿過(guò)隔膜到達貧鋰態(tài)的正極并插入正極晶格中，此時(shí)正極處于富鋰態(tài)，負極處于貧鋰態(tài)[2]。

圖1 鋰離子電池結構示意圖

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(jìn)行快速、可靠的材料檢測，避免因原料質(zhì)量低、引入雜質(zhì)、加工工藝不當引起的電池失效。助力鋰電材料的深入研究，進(jìn)而從各個(gè)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(shí)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(jiǎn)稱(chēng)SEI)膜時(shí)于負極所消耗掉的鋰離子。電池功率受到正極材料的結構、摻雜改性、表面包覆及制備工藝等多種因素的影響[1]。開(kāi)發(fā)具有安全、經(jīng)濟、高性能、大容量等優(yōu)點(diǎn)的正極材料將有效地促進(jìn)LIB的廣泛應用[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(jìn)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、導電添加劑均勻性程度和分散性進(jìn)行檢測。

另外借助掃描電子顯微鏡可對正極材料及其前驅體的單顆粒形貌、顆粒分布情況進(jìn)行表征。據掃描電子顯微鏡呈現的結果可以針對性幫助正極材料進(jìn)行設計和改進(jìn)，大幅度提高材料的結構穩定性及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(jìn)正極材料的發(fā)展，需要開(kāi)發(fā)大容量的負極材料來(lái)提高整個(gè)鋰離子電池的性能。自1991年對石墨商業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，石墨一直作為主要的負極材料。石墨具有成本低、無(wú)毒性、重復循環(huán)和結構穩定等優(yōu)點(diǎn)[4]。由圖4和5可知，掃描電鏡可以對調漿后的材料以及涂覆后的極片進(jìn)行表面形貌分析，同時(shí)對石墨負極進(jìn)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(guān)察到石墨表面的片層結構形貌。

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用

作為鋰電池的關(guān)鍵材料，隔膜在其中扮演著(zhù)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(guò)。隔膜對于保障電池的安全運行有至關(guān)重要的作用[5]。當前，市場(chǎng)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(lèi)高分子材料憑借著(zhù)較低的成本、良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的化學(xué)穩定性和電化學(xué)穩定性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用于鋰電隔膜中。國儀量子掃描電子顯微鏡可以在低壓下直接觀(guān)察到隔膜表面的精細結構，并且根據拍攝的形貌圖像照片可以對隔膜進(jìn)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(jìn)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(wú)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)推出了系統化的原材料檢測分析與產(chǎn)品質(zhì)量檢測方案?；趪鴥x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(jìn)行檢測，避免因原料質(zhì)量低、引入雜質(zhì)和加工工藝不當而引起的電池失效。

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參考資料

[1]陳港欣,孫現眾,張熊 等. 高功率鋰離子電池研究進(jìn)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(cháng)沙: 中南大學(xué)出版社, 2005: 48-65.

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

[4]彭盼盼，來(lái)雪琦，韓嘯，伊廷鋒.鋰離子電池負極材料的研究進(jìn)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(jìn)展[J].化工學(xué)報,2018,69(1): 282-294