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国仪量子扫描电镜在锂电池失效分析中的应用
锂电池失效分析
”
锂离子电池因能量密度高、循环寿命长、倍率性能高等优势成为了目前应用最广泛的电化学储能器件之一。伴随着新能源汽车等领域的兴起，国内对锂离子电池失效分析的需求也越来越大。但锂离子电池在生产、运输和使用的过程中会出现一些失效现象，影响电池的性能和可靠性，甚至带来一些安全问题。为了避免锂离子电池的性能衰减和一些潜藏的安全问题，研发具有更高性能和稳定性的锂离子电池，需要对电池进行失效分析。
图1 示意图。图片来源：摄图网
锂离子电池的失效现象包括容量衰减、内阻增大、倍率性能降低、析锂等，这些表层失效现象的根源往往与材料的失效有关[1]。从材料角度进行分析，造成容量衰减、内阻增大的失效原因与正极材料的结构失效、微裂纹与破碎，负极材料的损坏及表面SEI过度生长有关。借助于国仪量子场发射扫描电子显微镜SEM5000的高分辨能力，我们可以将循环后的电池进行拆解，对其组成材料表面的精细形貌进行观察，帮助判断锂离子电池失效的原因。
正极颗粒中的裂痕主要有3个来源[2]：（1）电极颗粒中存在的原生缺陷；（2）极片加工过程中辊压引起的裂纹扩展；（3）电池在循环过程中，由于锂离子的脱嵌引起晶体的收缩和膨胀，导致晶粒间的分离和接触程度的下降，造成裂纹的进一步扩展。
将循环后的电池极片切开，可以观察到极片的内部截面结构（图2）。通过对循环后正极极片的截面观察发现，部分NCM正极颗粒晶间产生了裂纹和空洞现象，引起了锂离子路径的延长并导致了电池的失效，造成了电池容量的衰减。
图2 NCM正极颗粒的晶间裂纹/15kV/BSED
裸露在电解液中的石墨表面会与电解液发生电化学反应，生成固态电解质界面相（SEI）（图3）。如果SEI过度生长，会导致电池内部体系中Li+含量降低，导致能量衰减。如果SEI过厚，还会导致锂离子电池的内阻增大，并伴随能量密度下降、电压和功率下降、产热等失效问题。
图3 石墨负极循环后表面的SEI/3kV/Inlens
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