在當(dāng)今社會(huì),，智能手機(jī)和平板電腦等電子設(shè)備正成為人類(lèi)日常活動(dòng)的重要組成部分。這些電子產(chǎn)品不斷發(fā)展,，使其結(jié)構(gòu)更緊湊、重量更輕,，這也就對(duì)電池的功率輸出和壽命提出了越來(lái)越高的要求,。為了使鋰離子電池在每個(gè)充電周期實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更長(zhǎng)的壽命，要評(píng)估和開(kāi)發(fā)電池組件的不同化學(xué)成分,。

本文介紹了激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)對(duì)鋰離子電池重要元件化學(xué)組成的關(guān)鍵元素進(jìn)行深度分析的能力,。

典型的元素分析技術(shù)，如ICP-OES和ICP-MS,，不能揭示這些部件的結(jié)構(gòu)信息,。另一種流行的元素分析技術(shù)XRF無(wú)法為鋰離子電池電極的重要元素提供元素覆蓋，例如Li,、B,、C、O,、F,、N,。其它表面和深度分析技術(shù)，需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的真空儀器,，如二次離子質(zhì)譜（SIMS）,、輝光放電質(zhì)譜（GD-MS）、俄歇電子能譜（AES）和X射線光電子能譜（XPS）,，檢測(cè)速度慢或價(jià)格昂貴,。LIBS可提供鋰離子電池組件在實(shí)驗(yàn)室或工廠的深度分析能力，具有快速,、靈敏度高,、精確度高、全元素分析等特點(diǎn),。

圖1 固態(tài)鋰離子電池典型器件結(jié)構(gòu)

樣品分析：

本次分析使用了由鋰金屬(負(fù)極),、LiPON (固態(tài)電解質(zhì))和LiCoO₂ (正極)組成的樣品。

在分析之前,，使用Applied Spectra的J200 LIBS(非檢測(cè)模式)先去除了圖1所示組件結(jié)構(gòu)中的集流層,，然后在充滿氦氣的樣品室中分析鋰離子電池樣品，以消除大氣中氧發(fā)射線的干擾,，提高氧元素測(cè)量的準(zhǔn)確性,。數(shù)據(jù)分析使用Applied Spectra的LIBS數(shù)據(jù)軟件包。每一次脈沖激光產(chǎn)生的待測(cè)元素發(fā)射線均被監(jiān)測(cè),，然后繪圖,。待測(cè)元素包括Li、P,、O,、Co、Ti和Si,。這些元素是代表負(fù)極,、固態(tài)電解質(zhì)、正極,、電流導(dǎo)體和基質(zhì)的主要元素,。

圖2 鋰離子電池器件結(jié)構(gòu)的元素深度剖析(鋰金屬負(fù)極、LiPON固態(tài)電解質(zhì),、LiCoO₂正極和置于玻璃基板上鈦集電器)

在圖2中,，將不同組分的特征元素與原子發(fā)射線的檢測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，很容易看出何時(shí)開(kāi)始剝蝕電池的各個(gè)層,。例如,，鋰金屬負(fù)極的激光剝蝕會(huì)伴隨著強(qiáng)的鋰元素發(fā)射信號(hào)。剝蝕進(jìn)入LiPON固態(tài)電解質(zhì)層時(shí),，檢測(cè)到P發(fā)射信號(hào),。同樣,，Co和O發(fā)射線可以用來(lái)跟蹤LiCoO₂正極層的剝蝕，并評(píng)估正極層內(nèi)的相對(duì)成分變化,。并且根據(jù)每個(gè)激光脈沖的剝蝕深度和每一組件層的剝蝕次數(shù)，我們亦可計(jì)算出每層電池組件的厚度,。

由上可見(jiàn),，LIBS提供了一種快速且經(jīng)濟(jì)有效的方法來(lái)了解不同鋰離子電池組件在多次充電循環(huán)或制造過(guò)程中漂移后可能產(chǎn)生的化學(xué)變化。分析速度快,，適用于大量樣品的QC檢測(cè),。有了LIBS，鋰離子電池工業(yè)就可以在提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和產(chǎn)量的同時(shí),，監(jiān)控工藝變化對(duì)關(guān)鍵化學(xué)組分的影響,。

本文為富爾邦專(zhuān)業(yè)工程師整編