鋰電池市場的需求主要來自電子產品市場和電 動汽車市場。近年來，我國在手機、電腦等電 子產品方面的產量逐年增多。我國的智能手機、平板電腦和移動電源等便攜式消費電子行業(yè)的發(fā)展非常迅速，導致對小型鋰離子電池的需求也隨之穩(wěn)步增長。此外，新能源汽車相繼進入市場，國家也通過了許多相關的政策來支持新能源汽車的發(fā)展，大型鋰離子電池的市場需求也在不斷增加。我國鋰離子電池行業(yè)在處于高發(fā)展階段。

飛納臺式掃描電鏡可以快速提供鋰電池樣品準確和完整的信息，從而幫助鋰電制造商進一步優(yōu)化他們的生產過程。

飛納電鏡在鋰電池領域的應用案例

1. 前驅體與三元材料 SEM 表征

掃描電鏡是前驅體或三元材料的生產、工藝研發(fā)或材料檢驗的重要分析工具。三元材料的粒徑，粒度分布（均一性）、球型度、比表面積直接影響鋰電 池的電化學性能。而三元材料的形貌特征主要繼承自前驅體的形貌特征。

上圖分別為前驅體材料與其燒結而成的三元材料掃描電鏡（SEM）圖，此案例展現(xiàn)了良好的形貌特征繼承性并體現(xiàn)了適當?shù)牧６确植?。另外，利用飛納臺式掃描電鏡可以觀測電池粉體顆粒的完整性，是否出現(xiàn)裂紋。通過飛納電鏡集成的能譜儀可以分析是否混入異物，并判斷異物成分。

2. 全自動粒度分析

三元材料及磷酸鐵鋰材料的粒度對性能有著重要影響。粒度分布太窄或太寬都會降低材料的壓實密度。適當?shù)牧椒植紩ㄟ^小顆粒填補大顆?？瘴惶岣哒駥嵜芏?；但過寬的粒徑分布會引起漿料分層，影響振實密度，另外大小顆粒間不同程度的過充和過放現(xiàn)象，會容易造成電池循環(huán)壽命下降。

Phenom ParticleMetric 鋰電顆粒測量系統(tǒng)可對設定區(qū)域進行自動圖像采集與自動識別，并對顆粒粒徑進行自動測量，并以報告形式輸出柱狀分布圖等結果。

3. 全自動粒形分析

鋰電池材料的球形度直接影響材料的流動性及振實密度，Phenom ParticleMetric 可以對寬高比，圓度等粒形指標進行全自動表征。

上圖顯示了 A、B 兩組不同電池顆粒的寬高比表征結果，寬高比越接近 1 則表示顆粒越接近圓形，寬高比越接近 0 則表示顆粒越接近針狀。

4. 一次顆粒粒度分析

一次顆粒也稱初次顆粒，正極材料的一次顆粒粒度在鋰離子的擴散作用中起著重要影響，并會影響電池的關鍵性能參數(shù)，如離子傳輸速率和電池充電時間。另外，一次顆粒的粒度會對電池充放電循環(huán)期間晶間裂紋的萌生造成影響。傳統(tǒng) XRD Rietveld 精修法可獲得電池顆粒的微晶尺寸，但微晶尺寸往往不代表一次顆粒尺寸，通過激光衍射或其他成像等技術對粒度的物理測量給出的則是二次團聚體的尺寸，而不是一次顆粒的尺寸。而 Phenom ParticleMetric 可對一次顆粒進行分析的商業(yè)化軟件系統(tǒng)。

下圖為電池顆粒進行一次顆粒粒度分析結果，其中可見一次顆粒粒徑平均值為 1.1 μm，D50 為 1.09 μm。

5. 高通量電池顆粒截面加工觀察

通過截面加工，可以將電池顆?！扒虚_”，觀察電池顆粒內部，以評估結晶情況，內部孔洞，裂紋。

FIB 是截面加工的重要方式，具有加工點位靈活的優(yōu)勢，缺點則是無法對大面積進行加工；而 Ar 離子研磨儀 Ion Milling 則可以輕松實現(xiàn)大面積的截面加工。

大面積加工后的斷面可以一次性“切開”上千顆電池顆粒，適合高通量分析和均勻性評估。也適合雜質查找。

6. 電池顆粒表面包覆改性研究

正極、負極材料的性能對鋰離子電池的發(fā)展和應用有著關鍵作用，但是其結構相變、電導率低及電解液副反應等不利因素仍制約電池性能的進一步提高，而包覆是解決這些問題的有效手段之一。

電池正極材料包覆可以改善其熱穩(wěn)定性及結構穩(wěn)定性，提高粒子表面活性。而通過對負極進行硅炭或硅氧包覆，可增加與電解液的相容性、減少不可逆容量、增加倍率性能。

通過離子研磨將包覆后的電池顆?！扒虚_”，在飛納臺式掃描電鏡下對包覆層進行直接觀察，是直觀評估包覆效果的方法。

• 圖 a 包覆前，b 包覆后低倍， c 包覆后高倍

• 圖 d、g 為不同包覆狀況的兩個石墨顆粒的 BSD 圖像，可以顯示原子序數(shù)襯度，可準確表征硅氧材料的分布

• 通過一體化能譜探測器進行元素 mapping 成像，圖 e、f 顯示硅氧均勻包覆在碳顆粒上；圖 h、i 顯示次顆粒應為空包顆粒

7. 電池極片截面分析 -- 研發(fā)及工藝研究

極片的截面分析可以用來對極片厚度進行測量，計算極片孔隙率，研究輥壓參數(shù)是否適當，活性成分，導電劑，粘結劑的分布。

極片輥壓可以壓縮電芯體積，提高電芯能量密度，降低極片內部活物質、導電劑、粘結劑之間的孔隙率，降低電池的電阻提高電池性能。輥壓效果的好壞既考驗輥壓參數(shù)，更考驗顆粒的抗輥壓能力。

輥壓參數(shù)選擇需要適當。若壓實太小，則極片電阻大，電池內阻升高，壽命縮短。若壓實過大，則活物質顆?？赡軙粔核?。

同時，選擇抗輥壓能力強的顆粒也很關鍵。圖 a 為一個輥壓案例，其中可見部分 NMC 二次顆粒已經被徹底壓碎（紅圈），但也有顆粒即便壓入鋁箔內，也未破碎（黃圈）。需要檢查材料的均勻性，或優(yōu)化混料配方。

為了保證電極有良好的充放電性能，在極片制作時通常加入一定量的導電劑，提供電子傳輸?shù)耐ǖ馈＠硐氲膶щ妱摼鶆蚍稚⒃诨钚晕镔|之間，并與活性物質顆粒表面緊密接觸，才可使電子能夠有效參與脫 / 嵌鋰反應。

圖 b 發(fā)現(xiàn)導電劑的分布發(fā)生明顯的大規(guī)模團聚，勢必降低其他位置的分布濃度，影響電池性能。

圖 c 為飛納電鏡能譜一體機表征的電芯極片內電極斷面的元素結果。觀察電池極片斷面涂布狀態(tài)，可對極片分散劑和添加劑的分布均勻性進行評估。

8. 極片異物分析

在生產環(huán)節(jié)，需要對極片進行人工目檢或機器視覺自動檢測檢查極片質量。對于發(fā)現(xiàn)的異常都需要及時進行分析，找出異常的根本原理，進而對工藝進行改進甚至更換原材料。

在以下案例里，用戶在輥壓后的極片表面發(fā)現(xiàn)了白色可見異常斑點（圖 a）。白斑可能會對電池的電化學性能有直接影響，但它更多地揭示了漿料的質量問題：均勻性或清潔度。因此，必須徹底檢查并解決這一問題。經過 EDS 檢查，未發(fā)現(xiàn)任何外來元素。但顯示出此位置的 Ni-Co-Mn 更集中（圖 d，e，f），同時發(fā)現(xiàn) C 濃度也比較高（圖 c）。C 可能來自導電劑（炭黑，有時是碳納米管）或粘合劑。通過 3D（圖 g），我們可以清楚地通過飛納電鏡看到這個白點是凸起物。

綜合以上所有結果：此處并未發(fā)現(xiàn)外來異物元素。粘結劑的分布不勻引起了電池顆粒的二次團聚或硬性沉淀，并在涂覆過程中就產生了一個凸起或麻點。輥壓的壓平過程使得此處的密度更高，因此此處能譜顯示為更高的 Ni，Co，Mn 以及 C 的集中分布。在后續(xù)的分析中，我們在涂覆后（輥壓前）的極片表面發(fā)現(xiàn)了麻點，3D 分析結果顯示此處麻點的高度達到了 11 μm（圖 h）。

9. 充放電循環(huán)后或失效后電池顆粒晶間開裂檢查

人們普遍認為 NCM 或 NCA 等層狀過渡金屬氧化物正極材料的電池失效機理為：正極多晶顆粒內部存在大量晶界，在電池充放電過程中，由于各向異性的晶格變化，多晶顆粒容易出現(xiàn)晶界開裂。二次顆粒中形成的微裂縫導致阻抗增加、活性材料減少；同時，電解液滲透進入裂縫中發(fā)生反應，ZZ導致電池容量衰減。因此，顆粒碎裂表征成為科研工作者改善正極材料性能的切入點。

倫敦大學學院的 Paul R. Shearing 教授在 AEM 期刊上發(fā)表了題為“Identifying the Origins of Microstructural Defects Such as Cracking within Ni-Rich NMC811 Cathode Particles for Lithium-Ion Batteries”的文章，深入研究了裂痕出現(xiàn)的 3 個根源：

1. 絕大多數(shù)電極顆粒均存在無法忽略的原生缺陷（如前文案例 5 所述）

2. 極片輥壓引起的裂紋的擴展，甚至壓碎（如前文案例 7 所述）

3. 循環(huán)脫嵌鋰過程中晶體收縮、膨脹引起的初級顆粒間的分離和接觸程度的下降，會造成裂紋的進一步拓展。

下圖為飛納電鏡拍攝的不同循環(huán)階段的裂紋產生于拓展情況，可見裂紋源于顆粒的核心區(qū)域，隨著循環(huán)次數(shù)的升高逐漸向顆粒表面擴散。電池顆粒的晶間裂紋引起鋰離子路徑的延長甚至失效，導致電池容量衰減。

10. 全自動清潔度分析

可自動識別并統(tǒng)計各類金屬異物，尤其對行業(yè)內普遍關注的 Cu、 Zn 異物會著重分析，生成統(tǒng)計報告，對清潔度評估和金屬異物來源分析與管控有重要作用。

全面檢測 / 評估鋰電池原材料及生產環(huán)境中的異物。通過 Phenom ParticleX 臺式掃描電鏡全自動掃描，可觀察到異物顆粒的形態(tài)及大小、異物顆粒的種類及數(shù)量定性定量。納米級顆粒也毫無遺漏。

異物顆粒自動統(tǒng)計分析流程設計，一鍵自動開始 

飛納電鏡擁有鋰電池領域綜合解決問題的能力，如果您有相關的問題或應用需求，歡迎隨時與我們聯(lián)系。

標簽：掃描電鏡臺式電鏡鋰電池