鋰離子電池
鋰離子電池（LIB）是21世紀(jì)以來最為熱門的儲(chǔ)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品,、電動(dòng)汽車和新能源電站的儲(chǔ)能電源系統(tǒng)等[1],。
LIB主要是由正極材料、負(fù)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(fù)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(shí),，鋰離子（Li+）從正極脫出在電解液中穿過隔膜到達(dá)負(fù)極并嵌入到負(fù)極晶格中,，此時(shí)正極處于貧鋰態(tài)，負(fù)極處于富鋰態(tài),；而放電時(shí),，Li+再從富鋰態(tài)的負(fù)極脫出再次在電解液中穿過隔膜到達(dá)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(fù)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(duì)正極材料,、負(fù)極材料,、隔膜等進(jìn)行快速、可靠的材料檢測(cè)，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(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(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(shí)在正負(fù)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SEI)膜時(shí)于負(fù)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(jì),、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(yīng)用[3]。
如圖2和圖3所示,，掃描電子顯微鏡不僅可以對(duì)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(duì)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(jìn)行檢測(cè)。
另外借助掃描電子顯微鏡可對(duì)正極材料及其前驅(qū)體的單顆粒形貌,、顆粒分布情況進(jìn)行表征,。據(jù)掃描電子顯微鏡呈現(xiàn)的結(jié)果可以針對(duì)性幫助正極材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)，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(fù)極材料中的應(yīng)用
負(fù)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，需要開發(fā)大容量的負(fù)極材料來提高整個(gè)鋰離子電池的性能,。自1991年對(duì)石墨商業(yè)化生產(chǎn)以來,，石墨一直作為主要的負(fù)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(diǎn)[4]。由圖4和5可知,，掃描電鏡可以對(duì)調(diào)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(duì)石墨負(fù)極進(jìn)行尺寸、形狀圖像分析,，以幫助解釋不同石墨負(fù)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(fù)極漿料/3kV/Inlens
圖4-2 負(fù)極極片/10kV/ETD
圖4-3 負(fù)極極片/3kV/Inlens
圖5-1 石墨負(fù)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(fù)極直接接觸,，又可以允許電解液中鋰離子自由通過。隔膜對(duì)于保障電池的安全運(yùn)行有至關(guān)重要的作用[5],。當(dāng)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(diǎn)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(xì)結(jié)構(gòu),，并且根據(jù)拍攝的形貌圖像照片可以對(duì)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(cè)試前沿解決方案
國儀量子以先進(jìn)的量子精密測(cè)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(duì)鋰離子電池行業(yè)推出了系統(tǒng)化的原材料檢測(cè)分析與產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)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(duì)鋰離子電池的負(fù)極材料,、正極材料、隔膜等原材料進(jìn)行檢測(cè),，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(jìn)展[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào),2022,44(04):612-624.
[2]郭炳焜, 徐徽, 王先友, 等. 鋰離子電池[M]. 長(zhǎng)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(jìn)展[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2022,39(2): 513-527.
[4]彭盼盼,，來雪琦，韓嘯,，伊廷鋒.鋰離子電池負(fù)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(bào),2018,69(1): 282-294
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