鋰離子電池

鋰離子電池（LIB）是21世紀(jì)以來(lái)最為熱門(mén)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(lái)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(guò)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?gòu)母讳噾B(tài)的負(fù)極脫出再次在電解液中穿過(guò)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(guó)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(guó)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(kāi)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(kāi)發(fā)大容量的負(fù)極材料來(lái)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(lái)，石墨一直作為主要的負(fù)極材料。石墨具有成本低、無(wú)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(guò)。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(guó)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(guó)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(wú)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?guó)儀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(lái)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