鋰電池組件分步制備方案——包括機(jī)械預(yù)處理和離子束拋光，并使用徠卡顯微系統(tǒng) EM TXP 和 EM TIC 3X進(jìn)行高質(zhì)量掃描電鏡分析,。
深入了解鋰電池系統(tǒng)需要高質(zhì)量的表面處理,，以評估其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)。然而,，快速簡單地制備原始橫截面可能由于所涉及材料的性質(zhì)和電池結(jié)構(gòu)而變得困難,。多數(shù)材料系統(tǒng)通常使用切割、包埋,、研磨,、拋光等純機(jī)械方法制備橫截面。在這種情況下,，單純的機(jī)械制備不足以對電池進(jìn)行高分辨率的SEM分析。具體而言,，電池正極的脆性材料在切割時可能會過度碎裂,，而較軟的材料(例如鋰)在拋光時可能會涂抹掉多孔結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致樣品結(jié)構(gòu)模糊,、孔隙被覆蓋并出現(xiàn)空隙,。在這里，我們詳細(xì)討論了用于SEM分析的鋰離子電池制備步驟,，以及如何通過寬離子束研磨消除機(jī)械制備中的偽影,。
寬離子束研磨利用離子化氬氣轟擊樣品,，并從樣品中物理濺射原子。在橫截面中進(jìn)行切割(也稱為斜面切割)時,，如這里所示,，碳化鎢掩模位于離子束和樣品之間，用于定義橫截面的位置,，并保護(hù)樣品的前表面,。如果操作得當(dāng)，無論樣品材料的性質(zhì)或成分如何,，斜面切割過程都會產(chǎn)生原始橫截面,。
在本應(yīng)用注意事項中，機(jī)械制備和寬離子束研磨相結(jié)合,，用于制備電池系統(tǒng)的兩個組件——鋰鎳錳鈷氧化物/鋁(Li-NMC/Al)電極和鉛(Pb)板柵,。對于兩種樣品，機(jī)械制備和離子研磨遵循相似的方案,。使用徠卡顯微系統(tǒng)EM TXP靶表面處理系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械制備,，這是一種高精度的臺式設(shè)備，可用于鋸,、磨,、拋光和碾磨樣品，并可進(jìn)行原位樣品觀察,。在徠卡EM TIC3X寬離子束研磨系統(tǒng)上進(jìn)行離子研磨,，以獲得最終的原始橫截面。
圖1：EM TXP機(jī)械制備系統(tǒng)(左)和EM TIC3X寬離子束研磨機(jī)(右),。
Li-MNC極片材料和鉛柵板這兩個樣本都使用雙組分環(huán)氧樹脂安裝在載玻片之間,，然后固定在徠卡TIC3X樣品架上，再使用TXP制備,。將樣品固定在載玻片之間為樣品提供了額外支撐,，也不必將樣品包埋在環(huán)氧樹脂等其他固定材料中。這也減少了需要削洗和拋光的表面積,，并使樣品在整個工作流程中都安裝在單個樣品托上,。
然后將樣品安裝在TXP夾頭上，并使用金剛石研磨箔在TXP上研磨至9微米光潔度,。然后將樣品傾斜至60°角,，并使用400粒度的碳化硅砂紙在正面載玻片上磨出斜面。這從橫截面表面移除了多余的玻璃,，減少了離子研磨器工作量,，因此加快了離子研磨過程并增加了產(chǎn)量。制備時間大約20分鐘。
然后將樣品托直接安裝在TIC3X適配器上,，用于室溫下斜面切割標(biāo)準(zhǔn)階段中的離子研磨,。每個樣品在8 kV下研磨。Li-MNC電極的研磨時間是3小時,，鉛柵板是6小時,。樣品尺寸不同導(dǎo)致研磨時間有差異。
圖1和2展示了Li-MNC電極樣品的SEM圖像,。圖1顯示了該樣品完整的層級堆疊,，包括用于安裝樣品的兩片玻璃和電極的氧化物/金屬夾層結(jié)構(gòu)。圖2顯示了感興趣的樣品材料更高倍數(shù)的放大圖像,。這些圖像中樣品光滑無缺的表面體現(xiàn)出制備品質(zhì),。這些結(jié)果可用于確定電極材料中的顆粒尺寸和分布。此外,，可以對整個電極樣品以及各層進(jìn)行精確的厚度測定,。同樣令人感興趣的是結(jié)構(gòu)中央位于多孔膜和金屬膜之間的界面。這些圖像顯示了金屬膜如何與多孔層的紋理保持一致(用紅色箭頭表示),，如果結(jié)構(gòu)中存在分層,，也可以從這些圖像中看出。
圖2：Li-NMC電極完整樣品的SEM圖像展示了位于結(jié)構(gòu)中央的兩個多孔層和金屬膜,。
圖3：Li-MNC電極結(jié)構(gòu)更高放大倍數(shù)的SEM圖像,。
圖3顯示了鉛柵板樣品的SEM圖像。從這些圖像中可以觀察到高質(zhì)量的橫截面,。樣品表面處于原始狀態(tài),，鉛柵板的顆粒結(jié)構(gòu)清晰可見，沒有任何額外的蝕刻,。從這個樣品中,，可以分析粒度和定位，雖然沒有在該樣品上拍攝到,，但是這種處理質(zhì)量通常適合于電子背散射衍射(EBSD)分析,。在這些圖像中，我們可以清楚地看到粒度變化很大的區(qū)域——有些區(qū)域的晶粒相當(dāng)粗,，有些區(qū)域的晶粒結(jié)構(gòu)非常細(xì),。晶界也很容易看到。
圖4：鉛柵板樣品的低倍放大(左)和高倍放大(右)SEM圖像,。
樣品由東賓夕法尼亞制造公司提供,。樣本制備和圖像由JH技術(shù)公司的Jerome Pons提供。
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