专题约稿|台式电镜在锂电材料分析中应用概述

专题约稿|台式电镜在锂电材料分析中应用概述

——“锂电检测技术系列——形貌分析技术”专题征文

(作者：复纳科学仪器)

　　仪器信息网：分析方面，可以提供哪些仪器及技术?有哪些技术优势?

　　复纳科学仪器：飞纳电镜(手套箱版)：扫描电镜放置于锂电池研究手套箱内，直接观察Li在负极的沉积、生长现象。

　　颗粒统计分析测量系统-正负极材料颗粒粒径分布：通过扫描电镜实时获取图片，一键分析粒径分布，辅助研发人员优化颗粒粒径分布，提高压实密度，提升能量密度。

　　原位拉伸-锂电池隔膜机械性能研究：原位观察锂电池隔膜拉伸过程中形貌变化。

　　仪器信息网：贵公司锂电形貌分析领域主要用户分布于哪些领域?有哪些典型用户?

　　复纳科学仪器：CATL、宁波杉杉新材料科技公司、宁德杉杉新材料科技公司等。手套箱用户：上海交通大学、哈尔滨工业大学等。

　　仪器信息网：贵公司针对锂电形貌分析开发了哪些应用解决方案，请分别介绍?

　　Phenom飞纳电镜(手套箱版)

　　锂电池技术的迅速发展，多元化的储能要求不断涌现。安全性、循环寿命、快充、低温循环寿命、容量衰减等指标不断提高，以上重要指标均与锂电池循环过程中的析锂副反应有关。锂枝晶在负极生长存在刺穿隔膜的风险，正负极短路导致电池燃烧等事故;快速充电时，如果Li+不能充分嵌入负极，会在负极表面沉积生长(下图)，锂枝晶生长时，相互“碰撞”形成“Dead Li”进入电解液，无法参与电池充放电循环。低温循环也会加剧析锂现象，因此析锂现象的研究对于锂电池安全性、提高能量密度、提高循环性能研发至关重要。

锂枝晶生长模型

　　Li是十分活泼的金属，与空气接触会迅速氧化破坏其原始的表面形貌，给析锂现象的SEM表征带来不便，飞纳台式扫描电镜推出飞纳电镜手套箱版，即将扫描电镜直接放入锂电池实验手套箱内，从锂电池拆解、到制样、观察均在手套箱内进行，完全避免了与空气等接触，保留了样品的原始形貌。如下图所示，锂在负极富集生长。

锂电池负极 锂富集层、锂枝晶生长(phenom电镜手套箱版)

　　飞纳电镜独特的设计满足手套箱中使用：

　　1、 内置27组减震单元以及耦合式光路结构双重防震设计，保证了电镜在手套箱震动环境中高效、稳定工作;

　　2、 长寿命CeB6单晶灯丝。无需频繁开关手套箱更换灯丝;

　　3、 体积小，电镜主机可放置于标准手套箱;

　　4、 独特的样品杯设计，样品台取放、调节简易;

　　颗粒系统-颗粒粒径分布

Phenom电镜颗粒统计系统(ParticleMetric)

　　锂离子电池依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌;然而锂离子在正负极之间的移动受很多因素的影响，如正负极材料本身层状结构，颗粒大小，以及极片压实密度等。因此对于同种材料，压实密度越高，能量密度越高，但是压实密度过高会造成极片孔隙度较小，电解液难以浸润，从而使电池循环过程中内阻增加，性能衰减。

　　三元材料二次颗粒本身有很多空隙，当等径球堆积时，球体之间会有很多空隙，需要一些小粒径颗粒来填补空隙。因此合理的颗粒粒径分布范围，有利于控制极片压实密度。

　　飞纳电镜颗粒统计分析测量系统(ParticleMetric)可以快速、准确统计颗粒信息，辅助研究人员优化粒径分布。

NCM811 颗粒统计

　　飞纳电镜颗粒统计分析测量系统(ParticleMetric)可实时从电镜获取图片，选取多个区域或整个样品区域，一键分析，同时获得颗粒多项信息(如图3所示)如面积、圆当量直径、表面积、外切圆直径、比表面积、周长、纵横比、圆度、伸长率、D0-D90等，可生成所需图表、原始数据、报告(如下图)。

ParticleMetric 报告

　　原位拉伸-锂电池隔膜

　　隔膜是锂离子电池的重要组成部分。电池能量密度、充放电速度与循环次数的提升，主要基于电极材料体系的发展和优化;而电池的有效容量、倍率性能、循环寿命、高低温特性、内短路和析锂等重要性能，都与隔膜材料相关。

　　锂电池在生产过程中，隔膜会受到外力作用。为保证锂电池安全性，要求隔膜有足够的机械强度和断裂拉伸比例，保证在外力作用时的可靠性。研究隔膜材料在应力作用下的断裂机理，对于提高膜材料机械性能有着重要意义。

　　原位拉伸台是荷兰飞纳和 Deben 合作开发，专为飞纳电镜大仓版 Phenom XL 设计。该模块可以对各种材料进行至多 100kg (1kN) 的拉伸测试。如下图所示，隔膜材料不同变形量条件下微观形貌变化，对于本次实验材料在20%变形量出现橘皮组织，30%变形量下出现明显裂纹，并且裂纹迅速扩展，直至隔膜断裂。

PP/PE/PP 隔膜拉伸原位观察

　　可通过设置变形量、拉力值，研究隔膜在不同变形量、拉力条件下的力学性能，也可通过设置循环拉伸测试隔膜材料疲劳性能(如下图所示)。

原位拉伸

　　仪器信息网：近两年来，贵公司在锂电领域的业界表现如何?

　　复纳科学仪器：飞纳台式扫描电镜(Phenom)拥有高分辨、高亮度、长寿命发射源、主动式防震设计、简单操作系统、光学导航，得到锂电池行业认可，如CATL、杉杉股份等企业。此外，飞纳电镜创新并设计了手套箱版扫描电镜，为锂电池研究提供了新的解决方案，目前上海交通大学、哈尔滨工业大学已完成装机。未来，Phenom持续关注锂电行业发展，为行业研究提供更高性能的设备。

　　仪器信息网：贵公司如何看待锂电市场之于仪器商的发展前景?

　　复纳科学仪器：随着锂电池能量密度、安全性要求不断提高，相关企业以及高校会投入更多的研究人员及资金，从更多的角度研究锂电材料，因此会增加对各种测试、表征设备的需求，因此锂电行业对设备的需求会持续增加，同时会对设备提出更高的要求。

　　仪器信息网：贵公司将采取哪些措施加强对锂电领域的拓展?

　　复纳科学仪器：与锂电龙头企业深入合作，进一步开发飞纳电镜在实际生产中的应用，如目前准备推出的自动化全面扫系统，即电镜自动扫描样品，可大幅减少操作人员工作了，提高工作效率，降低企业成本。

　　与高校研究人员加强合作，进一步优化扫描电镜在研究中的应用，以满足研发人员实际需求，如目前已推出的扫描电镜手套箱版。