歡迎聯(lián)系我

有什么可以幫您？在線咨詢

了解電池中納米級(jí)的三維鋰分布

來源：賽默飛電子顯微鏡 2024年12月17日 14:07

隨著汽車制造商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)把目光轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車 ⁽¹⁾,，鋰電池（LIBs）仍然是應(yīng)用廣泛,、安全且相對(duì)便宜的能源存儲(chǔ)技術(shù)⁽²⁾。電動(dòng)汽車需求的快速增長(zhǎng)⁽³⁾極大地推動(dòng)了電池研究和質(zhì)控領(lǐng)域的發(fā)展⁽⁴⁾,。由于電池是高度結(jié)構(gòu)化和多尺度的裝置,，因此在不同尺度上檢查組件對(duì)于確保性能的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要⁽⁵⁾。

與其他化學(xué)電池一樣,，鋰離子電池依賴正極和負(fù)極材料之間的納米尺度的交互作用,。如果化學(xué)物質(zhì)和支撐材料的分布受到干擾或者劣化，電池將發(fā)生容量衰減,，甚至出現(xiàn)熱失控⁽⁶⁾,。驗(yàn)證材料在納米尺度的變化最好通過電子顯微鏡，如掃描電子顯微鏡（SEM）,。由于電池結(jié)構(gòu)不均勻,，通過多個(gè)二維截面或者從連續(xù)截面獲取的三維視圖可以提供更為可靠的微觀結(jié)構(gòu)信息^(7,8)。

采用掃描電鏡進(jìn)行鋰元素檢測(cè)的挑戰(zhàn)及元素三維分布的進(jìn)展

現(xiàn)在,，人們已經(jīng)可以利用掃描電鏡的圖像與光柵化的化學(xué)圖譜,，如能量色散X射線光譜 (EDS) 進(jìn)行匹配。該技術(shù)依賴于成像過程中發(fā)射的特征X射線,，但由于鋰屬于輕元素,，其產(chǎn)生的特征X射線能量較低，該方法難以測(cè)量鋰⁽⁹⁾,。其他光譜技術(shù)擴(kuò)展了探測(cè)的有效范圍,，包括鋰和其他輕元素，但通常只用于塊狀樣品分析或2D分布,。賽默飛世爾科技最近與TOFWERK合作,，為FIB-SEMs提供了一個(gè)附件，能夠在鋰離子電池正極等材料中實(shí)現(xiàn)鋰的納米級(jí)三維元素分布^(10,11),。

采用ToF-SIMS和FIB-SEM進(jìn)行Li的納米級(jí)三維元素分布檢測(cè),，用于電池質(zhì)量檢測(cè)

我們采用了可靠的光譜技術(shù)：飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）⁽¹²⁾。該方法根據(jù)同位素的質(zhì)荷比（m/z）收集和分離同位素，可以通過SEM成像過程中的材料濺射等多種方法收集樣品,。濺射離子可作為聚焦離子束SEM (FIB-SEM)⁽¹³⁾中銑削過程的副產(chǎn)品,。在這里，一束離子束（例如鎵）被控制穿過樣品的表面,，以逐漸切割和揭示連續(xù)的三維成像層,。與獨(dú)立的ToF-SIMS相比，銑削表面增加了光譜沿深度分布輪廓,，并允許以更小的離子束斑尺寸進(jìn)行精確的離子銑削,。通過刻蝕樣品并進(jìn)行多層2D成像，輕同位素（如鋰）的3D分布在納米尺度上被揭示,，而這是EDS⁽¹⁴⁾無法做到的,。

賽默飛世爾科技的科學(xué)家們利用飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜（ToF-SIMS）和聚焦離子束（FIB）截面技術(shù)，生成了NMC811（鋰鎳錳鈷氧化物）正極顆粒中7Li+的三維分布圖,。為了避免Ga+離子與樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，使用了Xe+離子束等離子FIB。通過等離子FIB對(duì)樣品表面進(jìn)行逐層銑削,，實(shí)現(xiàn)了空間中離子激發(fā)的二次電子和二次離子成像,。換句話說，電子生成拓?fù)鋱D,，而離子則通過ToF-SIMS儀器檢測(cè)生成化學(xué)分布圖,。

使用ToF-SIMS和FIB-SEM對(duì)NMC811中的鋰元素進(jìn)行自動(dòng)化三維成像

與EDS采集相比，7Li+的高電離產(chǎn)率允許在FIB-SEM中進(jìn)行快速數(shù)據(jù)采集⁽⁹⁾,。Thermo Scientific™ Auto Slice and View™5軟件自動(dòng)進(jìn)行離子研磨,、搖擺拋光、成像和與ToF-SIMS通信,，以獲得相關(guān)的一致光滑的表面成像,。自動(dòng)數(shù)據(jù)采集持續(xù)了23個(gè)小時(shí)。然后將離子激發(fā)的二次電子圖像和柵格化ToF-SIMS圖對(duì)齊并在Thermo Scientific Avizo™軟件⁽¹⁵⁾中聯(lián)合查看,。ToF-SIMS圖譜顯示的深度剖面比FIB銑切深度更深,。這對(duì)表征不平整的表面（如陰極電池）很有用。這些光譜深度圖直接通過Avizo軟件讀取,，并重建成三維體積,。通過使用Xe+等離子體FIB產(chǎn)生的二次電子，兩幅圖像很容易關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行下一步分析,。這些3D數(shù)據(jù)揭示了NMC811次級(jí)粒子內(nèi)可見的缺陷和內(nèi)部裂紋（圖1）,。通過二維截面或3D渲染觀察，ToF-SIMS成像顯示了NMC811次級(jí)粒子內(nèi)7Li+的不均質(zhì)和不均勻分布（圖2）,。

圖1所示,。含鋰正極粒子的3D渲染,。

左：使用ToF-SIMS獲得的在NMC811正極粒子中7Li+的三維化學(xué)分布圖。右圖：Xe+等離子體FIB源產(chǎn)生的同一區(qū)域的三維二次電子圖像,。在體積中心的一個(gè)虛擬切口允許穿透樣本更好地觀察深處,。注意次級(jí)粒子的裂紋和內(nèi)部缺陷。

圖2,。陰極顆粒的7Li+分布疊加SEM圖像,。

使用ToF-SIMS獲得NMC811陰極粒子中7Li+的化學(xué)分布圖,。從Xe+等離子體FIB銑削過程產(chǎn)生的離子激發(fā)的二次電子圖像來看,，光譜映射覆蓋在相應(yīng)的截面上。7Li+很好地映射到次級(jí)粒子,，并確定了鋰的內(nèi)部分布,。

通過集成FIB-SEM和ToF-SIMS，推進(jìn)鋰電池中的納米級(jí)鋰檢測(cè),，以改善電池性能

最重要地,，F(xiàn)IB-SEM和ToF-SIMS的結(jié)合使用成功地說明了如何在鋰離子等輕粒子的納米級(jí)分辨率下觀察到鋰離子的化學(xué)反應(yīng)。通過將FIB-SEM與ToF-SIMS設(shè)備創(chuàng)新式的聯(lián)用,，鋰在LIB組件中的分布可以相對(duì)輕松地以高分辨率和3D形式展示^(9,11,14),。為了進(jìn)行3D可視化和分析，Avizo軟件將這兩種數(shù)據(jù)來源配對(duì),，以便對(duì)NMC811陰極粒子進(jìn)行相關(guān)觀察,。通過FIB-SEM發(fā)現(xiàn)裂紋、次級(jí)顆粒團(tuán)聚,、鋰枝晶生長(zhǎng)和其他缺陷,，可以幫助電池研究人員提高鋰電池的安全性和性能。

參考文獻(xiàn)

向上滑動(dòng)閱覽

(1)Bohnsack, R., Pinkse, J. & Kolk, A. Business models for sustainable technologies: Exploring business model evolution in the case of electric vehicles. Research Policy, 43(2), 284–300 (2014).

(2)Goodenough, J. B. & Park, K. S. The Li-ion rechargeable battery: A perspective. Journal of the American Chemical Society, 135(4), 1167–1176 (2013).

(3)Ziegler, M. S. & Trancik, J. E. Re-examining rates of lithium-ion battery technology improvement and cost decline. Energy & Environmental Science, 14(4), 1635–1651 (2021).

(4)Whittingham, M. S. History, evolution, and future status of energy storage. Proceedings of the IEEE, 100, (Special Centennial Issue), 1518–1534 (2012).

(5)Liu, X., et al. Bridging multiscale characterization technologies and digital modeling to evaluate lithium battery full lifecycle. Advanced Energy Materials, 2200889 (2022)

(6)Dahn, J. R., & Ehrlich, G. M. Lithium-ion batteries: Advanced materials and technologies. In: Linden’s Handbook of Batteries. 4th ed. New York: McGraw-Hill (2011).

(7)Liu, H., et al. Three-dimensional investigation of cycling-induced microstructural changes in lithium-ion battery cathodes using focused ion beam/scanning electron microscopy. Journal of Power Sources, 306, 300–308 (2016).

(8)Hall, A. S., Lavery, L. L. & Doux, P. Effective multi-modal multi-scale analytical and imaging correlation.?IEEE Sensors Letters, 3, 1 (2018).

(9)Hovington, P., et al. Can we detect Li K X-ray in lithium compounds using energy dispersive spectroscopy? Scanning, 38, 571–578 (2016).

(10)Jiao, C., Pillatsch, L., Mulders, J. & Wall, D. Three-dimensional time-of-flight secondary ion mass spectrometry and DualBeam FIB/SEM imaging of lithium-ion battery cathode. Microscopy and Microanalysis, 25(S2), 876–877 (2019).

(11)Jiao, C., Pacura, D., Priecel, P. & Barthelemy, P. 3D ToF-SIMS detection of 7Li+ in NMC811 via automated FIB cross-sectioning. The 65th Battery Symposium in Japan (2024)

(12)Shen, Y., L. Howard & Yu, X.-Y. Secondary ion mass spectral imaging of metals and alloys. Materials, 17, 528 (2024).

(13)Pillatsch, L., ?stlund, F. & Michler, J. FIBSIMS: A review of secondary ion mass spectrometry for analytical dual beam focused ion beam instruments. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 65, 1–19 (2019).

(14)Priebe, A. & Michler, J. Review of recent advances in gas-assisted focused ion beam time-of-flight secondary ion mass spectrometry (FIB-TOF-SIMS). Materials, 16, 2090 (2023).

(15)Avizo Software for battery and energy materials characterization

相關(guān)產(chǎn)品

免責(zé)聲明

凡本網(wǎng)注明“來源：化工儀器網(wǎng)”的所有作品,，均為浙江興旺寶明通網(wǎng)絡(luò)有限公司-化工儀器網(wǎng)合法擁有版權(quán)或有權(quán)使用的作品,，未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用上述作品,。已經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)使用作品的,，應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用，并注明“來源：化工儀器網(wǎng)”,。違反上述聲明者,，本網(wǎng)將追究其相關(guān)法律責(zé)任。
本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其他來源（非化工儀器網(wǎng)）的作品,，目的在于傳遞更多信息,，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，不承擔(dān)此類作品侵權(quán)行為的直接責(zé)任及連帶責(zé)任,。其他媒體,、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時(shí),，必須保留本網(wǎng)注明的作品第一來源，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任,。
如涉及作品內(nèi)容,、版權(quán)等問題，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系,，否則視為放棄相關(guān)權(quán)利,。

了解電池中納米級(jí)的三維鋰分布

免責(zé)聲明

聯(lián)系我們

關(guān)注我們