锂电池容量仪

在寻找可持续能源存储技术的过程中，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出了一种新概念来制造用于钠电池的高性能电极材料。 它基于一种新型石墨烯来储存世界上最常见和最便宜的金属离子之一——钠。结果表明，容量可以与当今的锂离子电池相匹配。尽管锂离子电池在储能方面效果很好，但锂是一种昂贵的金属，其长期供应和导致的环境问题令人担忧。另一方面，钠是一种丰富的低成本金属，是海水的主要成分。这使得钠离子电池成为一种有趣且可持续的替代方案，可减少我们对关键原材料的需求。然而，钠离子电池面临的主要挑战是如何提升容量。在目前的性能水平上，钠离子电池无法与锂离子电池竞争。一个限制因素是石墨，它由石墨烯的堆叠层组成，用作当今锂离子电池的负极材料。离子通过在石墨层间进出完成储能的过程。钠离子比锂离子大并且表面特性不同，因此，它们不能有效地储存在石墨结构中。但是查尔姆斯理工大学的研究人员想出了一种新的方法来解决这个问题。“我们在石墨烯层的一侧添加了一个分子间隔物。当这些层堆叠在一起时，这些分子会在石墨烯片之间产生更大的空间并提供一个相互作用点，从而显著提高容量，”该项研究的作者说。十倍于标准石墨的能量容量通常，标准石墨中可以嵌入的钠离子容量约为每克 35 毫安时 (mAh g-1)。这不到石墨中锂离子嵌入容量的十分之一。使用新型石墨烯，钠离子的比容量为每克332毫安时——接近石墨中锂离子的容量。实验结果还显示这种新型材料还具有完全可逆性和高循环稳定性。“当我们观察到如此高容量的钠离子嵌入时，真的很令人兴奋。这项研究仍处于早期阶段，但结果非常有希望。这表明可以设计出适合钠离子电池的有序结构的石墨烯负极材料，使其容量与石墨相当，”查尔姆斯大学物理系的 Aleksandar Matic 教授说。新型石墨烯在相对的两个面上具有不对称的化学官能化，因此通常被称为 Janus 石墨烯，以古罗马的双面神 Janus 命名。Janus是罗马神话中的门神，具有两个面孔，是起源神，象征开始。之所以用Janus命名是希望这种石墨烯材料可能为高容量钠离子电池打开大门。“我们的 Janus 材料离工业应用还很远，但新的结果表明我们可以设计超薄石墨烯片——以及它们之间的微小空间——用于高容量储能。我们很高兴提出一个具有成本效益、丰富且可持续的金属纳离子电池的概念，”查尔默斯工业与材料科学系附属教授 Vincenzo Palermo 说。关于材料的更多信息：具有独特结构的 Janus 石墨烯研究中使用的材料具有独特的人造纳米结构。每个石墨烯片的上表面都有一个分子，作为钠离子的间隔物和活性相互作用位点。两个堆叠石墨烯片之间的每个分子通过共价键连接到下部石墨烯片，并通过静电相互作用与上部石墨烯片相互作用。石墨烯层还具有均匀的孔径、可控的功能化密度和很少的边缘。

p　　据外媒报道，锂电池圈的研究重点集中在电极上。作为导电介质中输入或导出电流的组件，科学家们不断调整其组成及其产生的化学反应，以追求更好的电池性能。这其中包括卡内基梅隆大学的研究人员，他们提出了一种3D打印格栅电极的新方法，他们认为这种方式带来了“前所未有的改进”。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/1a786cff-e56e-4905-9d3c-8f405d3a6fcd.jpg" title="1.jpg"//pp　　寻找新的和改进的锂电池电极已经出现了许多有希望的可能性。这些涉及将硅置于石墨烯“牢笼”内，开发微小的纳米线，并开发出SiliconX等新材料。3D打印也已成为可能的一种途径，因为它可用于生产具有多孔结构的电极，为电解质渗透提供额外的通道，从而产生更好的电池容量。目前，最佳结构被称为叉指几何，但正如卡内基梅隆大学机械工程副教授Rahul Panat所说的那样，它有一个上限。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/1a9fb86f-3409-4f0a-8b5e-f4c5c955fe2b.jpg" title="2.jpg"//pp　　“叉指几何形状确实是多孔的，确实允许电解质通过通道，”Panat告诉New Atlas。“然而，它是一种2D结构，只能通过挤压打印扩展到3D，并且它的制造方式有限。”Panat和一组机械工程师开发了一种新的3D打印方法，克服了这一限制，并允许任何尺寸的微晶格架构。它涉及使用正确的表面和惯性力将精确尺寸的微量液滴喷出，使液滴能够以允许形成复杂3D结构的方式粘附。/ppimg src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/2a5804ac-d495-4cde-8fd5-0121eb9769e7.jpg" title="3.jpg"//pp　　“由于这种方式，印刷的液滴粘附在支柱上而不是从支柱上脱落，”Panat表示。“然后压板加热去除溶剂，使得柱子准备好接收下一个含有银纳米粒子的液滴。这是一个非常快速的过程，一直持续到形成完整的晶格。人们此前没有使用这种机制来制造电池。我们开发了这种机制，并且正在申请专利。“/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201808/insimg/d8adafaa-9284-4c0f-bd4b-d555d5038e28.jpg" title="4.jpg"//pp　　当用作锂离子电池中的电极时，所得的微晶格结构表现良好。该团队在实验室进行了一系列测试，发现与标准电池电极相比，格子电极的比容量增加了四倍(单位质量的mAh容量)，面积容量增加了两倍。它们在40个电化学循环后保留其复杂的晶格结构。/pp　　“我们将寻求尝试不同的电极材料，并探索通过多喷嘴系统扩大生产规模，”Panat解释道。“此外，可以增加加热速率，以缩短微滴的蒸发时间，从而加快工艺流程。我们希望与行业合作伙伴和投资者合作，为未来的商业化提供资金。”/pp　　该研究发表在《Additive Manufacturing》杂志上。/ppbr//p

p style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201803/insimg/60583ae0-3699-426f-8348-785105fbf7fb.jpg" title="ouyangminggao.jpg"//pp　　近年来，随着国内外电动汽车产业的快速发展，作为核心零部件的动力电池产业备受关注，各家企业不仅要扩张产能规模确保产量供应，还面临着持续提升产品能量密度等关键指标的“攻坚战”。当前国内外动力电池技术进展如何?有哪些值得关注的前瞻性技术?未来数年的发展节奏是怎样的?近期，中国电动汽车百人会执行副理事长、中国科学院院士欧阳明高对上述行业关心的重点话题从技术角度进行回应，对业内外人士全面了解当前动力电池技术水平概况提供了重要参考。/pp style="text-align: center "strong　　300瓦时/公斤目标取得重大突破/strong/pp　　《汽车纵横》：安全、续驶里程长、寿命长等是消费者选购新能源汽车时考虑的关键性指标，动力电池是决定这些指标的核心零部件，近年来，在消费者需求及相关部门的政策法规推动下，安全、长寿命、高比能量的动力电池已成为产业需求的主流。比如2017年3月份，国家工信部等四部委联合颁布《促进汽车动力电池发展行动方案》，指出到2020年，要求新型锂离子动力电池单体比能量超过300瓦时/公斤。目前国内动力电池技术在这些方面进展如何?达到哪些指标?/pp　　欧阳明高：按照规划，2020年要实现动力电池能量密度300瓦时/公斤目标。目前承担新能源汽车专项项目的有三个团队：宁德时代新能源、天津力神和合肥国轩。这三个团队目前采用的技术路线大同小异，即正极采用高镍三元，负极是硅碳，这种电池目前技术指标已经接近应用要求，到2020年，比能量300瓦时/公斤的电池的产业化已经取得了实质性突破，现在从比能量角度看都已经达到，例如宁德时代新能源的电池研究成果的循环寿命基本在1000次左右，能量密度达到304瓦时/公斤，其他两家也差不多。当然还有部分企业安全性标准还没有完全满足。用300瓦时/公斤的单体电池大概能做出200-210瓦时/公斤的电池系统，因为基本是软包电池，而非方形电池。国内在去年年底、今年年初，动力电池的能量密度单体达到230瓦时/公斤左右，系统大约150瓦时/公斤左右。到2018、2019年还需要再提高50-70瓦时/公斤，我认为是可以做到的。至于单体350瓦时/公斤、系统260瓦时/公斤是我们力争的目标。/pp　　如何落实2025年400瓦时/公斤的目标?/pp　　《汽车纵横》：刚刚您提到，实现2020年300瓦时/公斤的目标在技术上已经有重大突破。再往后展望五年，到2025年动力电池将力争实现哪些目标?将采用何种技术路线?您认为哪种前瞻技术最值得关注?目前中国在这些前瞻技术领域有无研究?/pp　　欧阳明高：面向2025年产业化，我们希望冲击单体电池能量密度达到400瓦时/公斤的目标。300瓦时/公斤的实现改变的是负极，从碳变成硅碳，到400瓦时/公斤要变的是正极，目前可选的正极材料有好几种，现在新能源汽车重点专项取得突破性进展的是高容量富锂锰基正极材料，有两个单位承担了前沿基础项目，一个是物理所，改善了富锂锰基正极循环的电压衰减，达到的指标是正极循环100周之后电压衰减降到了2%以内，这是一个重大的进展。另外一个是北京大学的团队，首次研制出了比容量400毫安时/克的富锂锰基正极，实现400瓦时/公斤应该是没有问题的，甚至可能更高。这更为开发比能量大于500瓦时/公斤的新型锂离子电池提供了可能，但循环尚存在一定不确定性。/pp　　更加前沿的技术是固态电池。目前国内有多家研究机构和产业单位在做，包括中科院青岛能源所、宁波材料所，物理所等，也包括宁德时代新能源、中航锂电等。最近宁波材料所与赣锋锂业合作，投资5亿元人民币，致力于推进固态电池产业化，计划2019年量产，2020年产品进入电动汽车市场。固态电池无疑是2017年全球电池领域最热的一个技术名词。/pp style="text-align: center "strong　　全固态锂电池技术何以在全球大热?/strong/pp　　《汽车纵横》：固态电池与我们听到的全固态锂电池是否是一回事?什么才是全固态锂电池?如何理解这些概念上的区别?/pp　　欧阳明高：全固态锂电池，这几个词每一个字都不能少、不能变，“全固态”与“固态”不同，“锂电池”和“锂离子电池”不是一个概念。所谓“全固态锂电池”是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态，不含任何液态组分的锂电池，所以我们全称是“全固态电解质锂电池”。根据其是否可以反复充放，可进一步分成全固态锂一次电池和全固态锂二次电池，一次电池其实已经有用的。全固态锂二次电池又分成全固态锂离子电池和锂金属电池，这两个概念又要区别，所谓全固态金属锂电池的负极用的是锂金属，目前在用的动力电池的负极多为碳、硅碳或者钛酸锂。/pp　　全固态锂电池的概念比锂离子电池出现得更早，锂离子电池只有25年左右的历史，是日本人发明的，真正用于车上也就10多年，很年轻但是进步很快。早期所指的全固态锂电池，都是以金属锂为负极的全固态金属锂电池。这就是以前的概念。/pp　　《汽车纵横》：固态锂离子电池跟全固态锂电池的具体区别是什么?/pp　　欧阳明高：固态电池，不一定是全都是固态电解质，还有一点液态，是液态与固态混合的，差别在于混合的比例是多少。真正的固态锂离子电池，其电解质是固态，但在电芯中有少量的液态电解质 所谓半固态，就是固态电解质、液态电解质各占一半，或者说电芯的一半是固态的、一半是液态的，所以还有准固态锂电池，即主要为固态，少量是液态。/pp　　《汽车纵横》：全固态锂电池有哪些特点特别是优势?为什么能引起全球动力电池产业的关注和投入研发?/pp　　欧阳明高：主要因素是它能解决目前困扰动力电池发展的两大关键问题，即安全性差和能量密度低。全固态锂电池有几个潜在的技术优势，首先，它安全性高，由于采用高热稳定性的固态电解质，代替了易燃的常规有机溶剂电解液，电池燃烧问题可以得到有效解决。第二，能量密度高，由于金属锂的容量超高，基于相同正极时，固态金属锂电池与常规液态锂离子电池相比，其能量密度可以得到大幅提升。需要说明的是，由于固体电解质密度和使用量高于液态电解质，在正负极材料相同时，全固态锂电池优势不明显。第三，正极材料选择的范围宽，因为全固态锂电池可以直接采用金属锂为负极，不要求正极结构中必须含锂，一些高容量的贫锂态材料也可以作为正极 此外，无机固态电解质宽的电压窗口也为高电压正极材料的应用提供了可能。第四，系统比能量高，由于电解质无流动性，可以方便地通过内串联组成高电压单体，利于电池系统成组效率和能量密度的提高。/pp style="text-align: center "strong　　真正的全固态金属锂电池技术尚未成熟/strong/pp　　《汽车纵横》：从您介绍的优势来看，全固态锂电池能解决当前动力电池产品的不少不足之处。但它为何还没有大规模应用于市场?主要存在哪些问题?您如何评价这类技术的整体发展水平?/pp　　欧阳明高：它的第一个问题是固态电解质材料的离子电导率偏低。现在有三种固态电解质，一种是聚合物，一种是氧化物，一种是硫化物。现在有用聚合物电解质的电池，搭载于法国的一些车辆上，它的问题就是需要加热到60度，离子电导率才上来，电池才能正常工作。目前氧化物电解质一般比液态的还要低很多。只有硫化物固体电解质的一些指标接近液态电解质，比如丰田就是用硫化物的固体电解质，所以固体电解质主要的突破是在硫化物的固体电解质。/pp　　第二个问题就是固/固界面接触性和稳定性差。液体跟固体结合是很容易的，渗透进去即可。但是固体和固体接触性和稳定性就是它的很大的一个问题。硫化物电解质虽然锂离子导电率已经提高，但是仍然有界面接触性和稳定性问题。/pp　　第三个问题是金属锂的可充性问题。在固态电解质中，锂表面同样存在粉化和枝晶生长问题。其循环性甚至安全性等还需要研究。当然还有一个问题，就是制造成本偏高。/pp　　基于上述问题，特别是固态界面接触性、稳定性和金属锂的可充性问题，真正意义上的全固态金属锂电池技术，现在仍然还是不成熟的，还存在技术不确定性。目前展现出或者有突破的、有性能优势和产业化前景的主要是固态锂离子电池和固态聚合物锂电池。/pp　　《汽车纵横》：目前国内外关于固态锂电池的研究进展如何?有哪些值得关注的企业或技术突破?/pp　　欧阳明高：现在固态锂电池持续升温，美国、欧洲、日本、韩国、中国都在投入。各个国家心态不太一样。例如美国，以小公司、创业型公司为主。美国有两家公司值得关注，都是初创公司，一个是S-akit3，其最新研发的电池有望使电动汽车的续驶里程达到500公里，现在还处于初级阶段。还有一个Solid—State。美国主要立足于颠覆性技术。日本则专注于无机固体电解质的大容量的固态锂电池，最着名的是丰田公司，其产品将在2022年实现其商品化。丰田做的不是全固态锂金属电池，而是固态锂离子电池，其负极是石墨类，用硫化物电解质，高电压正极，单体电池容量15安时，电压是十几伏，我认为这是靠谱的。所以在日本，并没有颠覆，还是基于锂离子电池，正负极还可以用以前的一些材料或技术。韩国专注于无机固体电解质的大容量固态锂电池的研发工作，也采用石墨类负极而不是金属锂负极，与日本相似。中、日、韩三国的情况类似，因为我们已有了很庞大的锂离子电池产业链，不希望推倒重来。/pp style="text-align: center "strong　　如何评价动力电池各技术路线的前景?/strong/pp　　《汽车纵横》：针对当前国内外动力电池领域的技术发展现状，请您综合评估一下各种技术路线或研究方向的前景。/pp　　欧阳明高：第一，锂离子动力电池有望于2020年前实现300瓦时/公斤目标，目前国内外技术研发基本处于同一水平，但安全性研究尚待加强。这种电池的核心是安全性。/pp　　第二，作为实现远期目标的两类新体系，锂硫、锂空气电池方面，目前国内外进展相对缓慢，2017年没有看到突破性的进展。从原理来看，锂硫电池的重量比能量跟体积比能量基本相当，所以它的体积比能量要提上来是有相当难度的。新能源乘用车特别是轿车对体积比能量的要求可能比重量比能量还要重要，虽然有400瓦时/公斤的电池，体积比能量也只有400瓦时/升，这对于轿车而言不太好用。一般情况下，锂离子电池的重量比能量能达到300瓦时/公斤，体积比能量就可以达到600瓦时/升。锂空气电池集合了锌空气电池、氢燃料电池、锂二次电池的所有难点。相比而言氢燃料电池更具竞争优势。/pp　　第三，固态电池的研发产业化持续升温，但受到固/固界面稳定性和金属锂负极可充性两大问题的制约，真正的全固态锂电池技术还没有成熟，但是以无机硫化物作为固态电解质的锂离子电池出现突破。总体看固态电池发展的路径，电解质可能是从液态、半固态、固液混合到固态，最后到全固态。至于负极，会从石墨负极到硅碳负极再到合金化负极，我们现在正在从石墨负极向硅碳负极转型，最后有可能采用金属锂负极，但是目前还存在技术不确定性。/pp　　第四，中国在高容量富锂正极材料方面于2017年取得了一些突破，基于高容量富锂正极和高容量硅碳负极的革新型锂离子电池比锂硫和锂空气电池更具可行性。/pp　　《汽车纵横》：根据各种技术进展的分析，您如何判断未来动力电池技术的发展趋势?预计将按照怎样的节奏推进?/pp　　欧阳明高：我们专家组对动力电池技术的发展趋势做了一次优化迭代，(但这不是国家电池技术路线图的依据，仅供参考)，具体如下：/pp　　2020年，实现动力电池比能量300瓦时/公斤、比功率1000瓦时/公斤，循环1000次以上，成本0.8元/瓦时以内的目标是确定的，相对应的材料是高镍三元，现在国内动力电池用的镍、钴、锰的比例由3：3：3转向6：2：2，再转变为8：1：1，即镍变成8，钴的比例进一步降到1甚至是0.5。负极要从碳负极向硅碳负极转型。这是我们当前的技术变革。/pp　　到2025年，正极材料性能进一步提升，富锂锰基材料目前取得重要突破，当然还会有其他材料。2020-2025年，我们要努力实现动力电池比能量从300瓦时/公斤上升至400瓦时/公斤，每瓦时成本从0.8元以内降到0.6元以内。此时一般性价比的纯电动轿车合理的续驶里程是300—400公里。/pp　　到2030年，希望在电解质方面取得突破，也就是2025-2030年最大的突破可能在电解质，固态电池会实现规模化、产业化，电池单体比能量有望冲击500瓦时/公斤。2030年，常规的电动汽车续驶里程应该可以达到500公里以上。当然需要其它技术的配合。如果电耗极大，例如冬天百公里电耗高达三四十度，电池再好也实现不了。现在电动车越做越大，例如大型SUV，车身重、风阻系数大，是一个值得改进的问题。/ppbr//p

锂电池样品制样前处理及表征整体解决方案交流会会议时间2023年2月28日 09:00-15:30地址：广东省广州市番禺区番禺大道北555号天安科技园总部6号楼2栋会议内容 锂离子电池是一种新型和高性能的电池，广泛应用于汽车、电力储能、备用电源、电动工具和模型等领域。锂离子电池产业已被列入国家“863计划”和“793计划”，是政府大力支持和发展的新能源产业之一。 作为新兴的绿色优质能源，锂离子电池的制造工艺要求非常高，关键材料的性能对电池的整体性能（如电池容量、安全性能、使用寿命等）影响非常巨大，需要完善的质量监控手段严格控制制造过程。本次会议将针对锂离子电池的制样前处理和表征手段进行方案介绍和案例分享，希望本次交流能给大家提供有益的帮助！会议议程抽奖礼品一等奖：京东购物卡500元 1名二等奖：电动牙刷套装 5名三等奖：保温杯 10名*凡参会者均可获得精美笔记本+英雄金属中性笔+鼠标垫各一份，本次会议免费参与，提供午餐，其他自理。识别上方二维码报名参会

p　　“也不知道这辆车的电池能坚持多久?”/pp　　6月15日上午，望着窗外驶过的又一辆新能源汽车，南开大学新能源材料化学研究所所长、博士生导师周震习惯性地自语道。/pp　　从事新能源材料研究20多年，看着日渐增多的新能源汽车，周震欣喜之余，仍存忧虑，“锂电池的基础材料研究，我们与世界一流水平还有差距，尤其高端电池隔膜材料仍然依赖进口”。/pp　　在周震等业内专家看来，作为新能源车的“心脏”，国产锂离子电池(以下简称锂电池)目前“跳”得还不够稳。/pp style="text-align: center "strong　　跨越太平洋的“四国游戏”/strong/pp　　去年全球动力电池销量前10的企业中，中国企业就占了7席，在市场份额上超越日本，占据了世界第一位 预计到2020年，我国在全球电池市场所占的份额将达七成以上 目前我国电池生产企业已超过了200家，是全球拥有锂电池生产企业最多的国家……然而这一串的数字，并没有让业内人士觉得骄傲，不少人接受采访时指出，虽然我国已经形成了比较完善的动力电池产业链，电池产业规模够大，但是还远称不上强。/pp　　在锂电池领域存在着一个跨越太平洋的“四国游戏”。“从行业角度来看，美国有比较强的研发设计能力，目前仍然引领锂电池原始创新、核心材料研发 日本作为电池材料制造大国，生产规范严格，能够最先制造出新的成品电池 我国和韩国作为第二梯队，后续跟进……”周震解释说，“相较日、韩，我国的低端锂电池产品更有优势，主要是由于人工和原始材料相对便宜，但是在部分高端产品，尤其是事关电池安全性的核心材料和制造工艺，仍有较大的差距。”/pp　　据了解，电池四大核心材料中，正、负极材料、电解液都已实现了国产化，唯独隔膜仍是短板。国产隔膜主要供应低端3C类电池市场，高端隔膜目前依然大量依赖进口。核心专利缺乏，隔膜等关键材料不给力，不仅成了国产锂电池难以承受之痛，也拖了国产锂电池企业“走出去”的后腿。/pp　　天津力神电池一位负责人在接受科技日报记者采访时表示，锂电池最前沿的三元材料，核心专利掌握在美国3M公司和阿贡国家实验室的手中，3M公司持有常规化学计量比的NMC材料的专利，阿贡国家实验室拥有层状富锂材料专利。目前，松下、三星、LG等主流厂商都要花钱购买相关专利授权。“国内锂电池企业众多，未来进入国际市场，面对国际巨头竞争，缺乏核心专利和材料技术是中国电池企业未来最大的隐忧和短板。”该负责人表示。/pp style="text-align: center "strong　　一层薄膜两重天/strong/pp　　采访中，有电池材料专家告诉记者，隔膜是锂电池的关键组件之一，隔膜主要材质为多孔质的高分子膜，包括聚乙烯及聚丙烯。锂电池用的隔膜对安全性、渗透性、孔隙度及厚度都有严苛的要求。/pp　　“在锂电池内部，带有电荷的离子，在正负极间流动穿梭，才能形成电流，而隔膜位于电池内部正负极之间，既要防止正、负极直接接触，又要确保电解质离子顺利通行。”周震形象地解释说，电池电解液犹如河流，锂离子好比河上行驶的小船，隔膜是拦腰而建的大坝，一个个隔膜孔就像是大坝上的闸门，正常情况下，离子自由穿梭到达正负极，完成充放电的循环。/pp　　“高端的隔膜一般附带有陶瓷材料，如果电解液温度过高，材料膨胀，孔隙会像闸门一样关闭，切断离子交流，从而避免电池因温度过高而起火爆炸。”周震介绍说，隔膜是锂电材料中技术壁垒最高的一种材料，其技术难点在于造孔的工程技术、基体材料，以及制造设备。“技术要求高，价格自然也就贵，差不多占到了电池总成本一成以上。”/pp　　目前，世界上最好的锂电池隔膜材料出自旭化成和东燃化学两家日本公司，而国内锂电池铝塑膜市场九成份额也被昭和电工等日本厂商垄断。天津力神公司的工程师告诉记者，与日本相比，我国的高端隔膜差距明显。国产隔膜产品一致性不高，存在孔隙率不达标，厚度、孔隙分布以及孔径分布不均等问题。/pp　　隔膜的品质直接影响电池容量、充放电循环寿命、阻燃止爆安全性能等指标。业内人士感慨：“一层隔膜两重天，迈过去就是晴天!”/pp style="text-align: center "strong　　国产隔膜急需突破/strong/pp　　目前锂电池隔膜制造工艺主要分湿法和干法。记者采访中了解到，我国在干法工艺上已迈入了世界第一方阵，但在湿法隔膜领域，国内企业虽掌握方法，但整体仍难以与外国巨头抗衡，此外，核心生产设备也主要依赖进口。/pp　　数据显示，2017年，国内锂电市场规模达到了1130亿元左右，其中动力锂电池规模大约600亿元。而国家工信部印发的《节能与新能源汽车产业发展规划(2011—2020年)》也显示，到2020年我国纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆/年。有电池行业协会据此估算，我国未来每年需要的高品质车用动力电池隔膜材料需求量将达到数亿平方米。/pp　　“锂电池发展要想不受制于人，隔膜等高端材料无法回避!”天津巴莫股份有限公司总经理吴孟涛认为，如此巨大的市场需求，完全依赖外国厂商，不仅不现实，也将是国产动力锂电池最大隐忧。/pp　　高端隔膜技术具有相当高的门槛，不仅要投入巨额的资金，还需要有强大的研发和生产团队、纯熟的工艺技术和高水平的生产线。“对于湿法制造工艺来说，树脂材料与添加剂的挤出混合过程以及拉伸过程是两大核心难点。”周震认为，国内隔膜企业要想有更大的作为，必须要在基础材料表面处理工艺、胶粘剂配方工艺、产品冲压拉伸等涉及材料、设备和工艺控制等三大领域“补课”，此外，在隔膜产业链上游，包括国产涂布机等在内核心生产装备也需要迎头赶上，尽快实现国产化更大突破。/pp　　“好比登山，离山顶越近成功登顶的希望就越大，而这时需要付出的努力也多!”周震说道。/ppbr//p

p style="text-indent: 2em "据美国《科学进展》杂志29日消息称，美国西北大学研究团队研发出一种全新材料，可用于制造性能稳定的大容量锂离子电池，从而大幅提升智能手机、电动汽车等的续航时间，甚至可以延长到目前的两倍多。/pp style="text-indent: 2em "锂离子电池已是现代高性能电池的代表，应用最为广泛，其主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。而今消费电子和动力电池对能量密度提升的需求，推动着正极材料不断进步——通常，人们采用的是锂、氧和一种过渡金属的化合物为电池正极，这其中，正是过渡金属负责储存和释放电能，其性质也是电池容量的关键。/pp style="text-indent: 2em "现阶段最常用的过渡金属是钴，而此前科学家研究发现，如果用镁取代钴，可以在提高容量的同时降低成本，但镁也有一定缺陷——电池性能退化太快，仅两轮充放电后就出现大幅下降。/pp style="text-indent: 2em "据美国西北大学官方网站介绍，此次团队研发的新材料是掺有铬和钒元素的锂镁氧化物，其用作锂离子电池的正极，电池容量出现了大幅提高，同时兼具性能稳定、不会迅速退化的优点。/pp style="text-indent: 2em "西北大学研究小组先是为锂镁氧化物材料建立了一个结构模型。该模型详细到了单个原子，团队借此分析了全部充放电过程，发现其中的氧也会参与存储电能，因而容量比以往要大。/pp style="text-indent: 2em "随后，研究人员尝试了将不同元素掺入锂镁氧化物的方案，以期计算出不同混合物各自的储能效果。最终他们发现，掺入铬和钒能在保持电池大容量的同时实现最稳定性能。/pp style="text-indent: 2em "研究人员表示，下一步他们将在实验室中检验该新材料的实际应用表现。/p

如何让您的锂电池发挥更大效能？试试先进原子层沉积(ALD)技术！当今世界正处于转变期，全力迈向电动社会——一个节能减排、实现气候目标并抵御严峻气候变化的社会。为了实现这一转变，我们需要新的材料和技术，而锂已成为这一转变的标志性元素。 可持续、可预测的锂供应链对于电动汽车（EV）、储能和电力网络的重要性日益明显。据国际能源协会 (IEA) 称，到 2040 年，锂将成为需求量zui大的矿物质。并且到 2030 年，对锂的需求量预计将达到 200 万吨，才能满足quan球 2000 GWh 的能源需求。这在十年内增长了 4 倍，而电动汽车的快速普及甚至可能使实际的需求量超过这一预测。 图 1. 与 2020 年相比，2040 年清洁能源技术对特定电池相关矿物的需求增长。STEPS 和 SDS 代表与气候政策相关的两种不同情景，用于估算需求，其中 STEPS 是国际能源机构提出的有可能的情景。指数单位是任意的，以显示增长。 01/地球上有多少锂？ 据美国地质调查局估计，地壳蕴含约 880 亿吨锂，其中约四分之一（220 亿吨）可开采，即储量。根据每辆电动汽车需要 8 千克锂的数量估计，我们可以生产近 30 亿辆电动汽车，这约为目前道路上汽车数量的两倍。 这样的锂储量可以支撑到本世纪中叶。值得庆幸的是，随着我们发明出更好的开采方法，锂储量也会随着时间的推移而增加。 从供应角度来看，这或许是个好消息，但利润率远低于应有的水平。尽管目前的锂储量可能满足当前的电动转型需求，但主要问题之一是锂的生产能力。 未来十年必须扩大锂产量，以满足增长四倍的需求。因此，即使有足够的锂，如果生产速度和工厂产量无法满足需求，人为短缺和供应链问题将会一直存在。 02/能否缓解这种关键材料短缺的情况？ 也许你还记得电影《无限》中，布莱德利库珀服用了一颗药丸，让他能够充分发挥大脑的潜力。那么，如果我们能用锂做同样的事情呢？ 我们可能会错误地认为电池在工作时会耗尽其全部电量。然而，由于界面不稳定性以及与电解质的寄生反应，大多数先进的锂离子电池正极只能在电压小于等于 4.2V 时工作。因此，为了避免活性材料的大量损失和晶体结构的重新排列，正极只能使用约 50% 的板载锂含量。 目前研究人员一直在努力制造稳定的高电压正极、稳定的负极和互补电解质，但已出现的少数材料仍然存在库仑效率低和结构退化的问题。如果不能保持较高的可逆容量，那么它们在较高电压下工作也是徒劳的。 值得注意的是，以 Wh 为单位测量的能量容量等于电池的标称容量（以安培小时 (Ah) 为单位）乘以电压 (V)。在较小的电压下运行，我们只能使用电池潜在能量容量的一小部分。 但如果像《无限》中那样，我们能设计出一种获得更多电池能量的方案吗？也许解决方法只是几纳米的材料。 03/ 使用Forge Nano ALD 原子层沉积技术提升电池效能 Forge Nano 推出了一种名为 Atomic Armor&trade 的解决方案，以解决电极结构不稳定的问题并从电池中释放更多容量。 该方法采用原子层沉积(ALD) 技术，在电池电极材料表面包覆薄膜，可实现厚度可控、均匀致密的纳米涂层。该技术可保护活性材料免受与电解质的寄生反应的影响，当电池在更高的电压和温度下工作时，电解质的化学性质会变得不稳定。 但更重要的是，Forge Nano 的 原子层沉积（ALD）工艺还可以防止过度反应。 图 2.电化学循环前未包覆的 NCA (a) 和 Al2O3 包覆的 NCA (b) 的 TEM 图像，以及在 3-4.8 V 电压下（1C/1C 充放电率）循环 100 次后分别从电池中提取的相同正极（c,d）的 TEM 图像。 图 2 很好地展示了 ALD 涂层在高电压下保持正极颗粒结构完整性的能力。TEM 图像显示，在 3.0 – 4.8V 的电压窗口下循环 100 次 1C/1C 循环后，未进行包覆的 NCA 颗粒出现了明显的裂纹和晶体结构退化。然而， Al2O3 ALD 涂层不仅防止了晶格的重大变化，还阻止了表面裂纹向颗粒内部的扩展。 事实上，通过防止这些失效机制，ALD 可以大幅提高电池的di一周期库仑效率，使电池可以在更高的电压下工作。这不仅意味着初始容量更高，而且可逆容量也更高，从而使相同的电池能够提供比以前更多的能量。 让我们来看看使用 Forge Nano 的 Atomic Armor&trade 技术升级电极材料的一些测试数据。 图 3. 使用原始石墨负极和涂有 Atomic Armor&trade 涂层的石墨负极的电池在 4.2V 电压下循环的相对容量。 图 3 比较了在 4.2V 电压下未包覆涂层的石墨负极的电池和使用 Forge Nano ALD技术包覆涂层的负极的电池的相对容量。通过使用该技术保护电极，我们的可逆容量增加了 11%，甚至无需在更高电压下循环。由于电极表面的反应不会损失锂，我们可以来回移动的锂量大大增加，从而从电池中获得更多能量。 图4 .未包覆涂层的 LCO 电池在 4.4V 电压下工作时的放电容量，耐久性循环为 0.5C/1C，而使用相同配方进行涂层包覆的电池在 4.5V 电压下运行时的放电容量。 图 4 则进一步提高了这一性能。图 4 显示了未进行涂层包覆的电池在 4.4V 电压下循环时的放电容量，以及使用 Forge Nano ALD 技术进行电极涂层包覆的电池在 4.5V 电压下循环时的放电容量。更高的电压运行与受保护的电极相结合，电池的初始放电容量提高了 18%。此外，更高的工作电压不会影响电池的使用寿命，这意味着使用原子盔甲技术，可以从电池中获得更多能量，而不会牺牲电池的使用寿命。 图 4 中的电池是可用于消费电子应用的电池示例，其目标循环次数为 200 次。如果这是一部手机，较高的放电容量意味着一次充电可以使用两天，而不是一天。 04/减少锂需求 虽然我们不一定能改变未来对锂的需求，但我们肯定能更有效地利用锂，从而较大限度地减轻锂的开采负担。随着电池能够在更高电压下工作，可逆容量增加 10-18% 不等，我们在不改变电池中锂含量的情况下输出更多的能量。 例如，北美电池制造生态系统计划到 2030 年输出 1000 GWh 的容量。如果每块电池的容量只提高 10%，那么现在这 1000 GWh 的工厂产出额定值为 1100 GWh，这将减少对多个新千兆工厂的需求，并每年节省 10 万吨加工锂的原料需求，相当于每年节省 100 万吨矿石开采过程中开采出的地下材料。这也相当于每年节省 110 万至 370 万吨二氧化碳排放量和 180 万至 800 万立方米用水量。 事实上，根据麦肯锡公司对锂供应的研究，虽然我们可以在短期内满足锂的需求，但预计到 2030 年，锂的供应将出现约 40 万吨的缺口。图 5 显示了目前到 2030 年的能源和锂需求预测。如果所有电池都使用 Forge Nano 的 ALD 技术包覆涂层，容量的提高将减少锂的需求量，以目前已知的供应量，足以满足到 2030 年的所有能源需求。在zui好的情况下，即所有电池都使用 Forge Nano ALD 技术提升电池容量，到 2030 年，锂可能仍然过剩。 图 5. 到 2030 年的锂和能源需求以及已知的锂供应量。Atomic Armor&trade 基础方案显示了千兆工厂产量增加 10% 后的锂需求。Atomic Armor&trade 高方案显示了产量增加 18% 后的锂需求。 通过使用 Forge Nano 的 Atomic Armor&trade 技术可以有效地利用锂，大大减轻锂生产的负担。使得公司可以安全地提供更高的产能产出，而不必担心供应链短缺；作为消费者，我们也不必担心锂供应短缺时会支付天价。 让 Forge Nano 的 Atomic Armor&trade 技术成为锂电池发挥更大效能的良药！

随着科技的日新月异，智能手机、清洁机器人、无人机、新能源汽车等已越来越多的走进人们的日常生活。作为能量与动力的重要载体 - 锂离子电池也在被越来越多的应用。锂离子电池的性能，直接决定了科技设备的续航时间、行驶里程、载荷能力和安全性等因素。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液等四个主要部分组成，其中隔膜是核心关键材料之一，是制约电池安全性、循环寿命、电性能的关键组件。LLOYD材料力学试验机（LLOYD材料试验机）提供完整的锂电池隔膜力学性能测试，主要包括拉伸强度、延伸率、穿刺强度，剥离强度（涂层复合膜）等。同时LLOYD材料力学测试系统可以完成高精度的锂电池强制内短路测试，确保锂电池更加安全。锂离子电池隔膜拉伸测试LLOYD隔膜拉伸测试采用气动夹具夹紧，在避免操作人员往复手动操作夹紧的同时，极大的提高了测试速度；同时气动夹紧排出了人为夹持过松导致的打滑现象，进一步的提高了数据稳定性。脚踏式开关可解放出操作人员的双手，以更方便和轻松的放置试样。同时为满足不同人员的操作习惯，还可通过气动辅具上的手动开关进行闭合、松开操作，为用户提供极大的便利性。锂离子电池隔膜穿刺试验LLOYD气动穿刺治具是专门为提高电池隔膜穿刺试验效率和稳定性开发的一款气动辅具。该治具采用双杠升降，可定制前后隔膜入料或左右入料，符合人体工程学设计；同时入料方向可旋转，满足不同操作人员的使用习惯。试验人员放置好隔膜后，可通过脚踏开关（或手动开关）快速操作完成夹持，夹持完毕后，只需按手控盒的开始键即可开始试验，试验完毕后可快速安置好下一试验点，迅速完成5点或多点测试。锂离子电池涂层隔膜剥离试验以锂离子电池聚乙烯(PE)等隔膜为基体，在其表面均匀的涂覆厚度为１～２μｍ混有纳米氧化铝粉末及胶凝剂浆体，可以制成无机复合陶瓷涂层锂离子电池隔膜。陶瓷涂层隔膜可以有效的提高锂离子电池的热安全性，同时对电解液具有良好的润湿性及保液性能，可以有效的提高锂离子电池的容量保持性能。锂离子电池强制内短路测试从每年在世界各地发生的电池安全事故的失效初步分析来看，大部分是由于电池内部发生短路引起的。 自 2004 年日本某公司笔记本电池发生起火后，经详细调查，起火是由于电池在生产过程中内部混入了微小的金属颗粒，此颗粒在电池充放电、温度变化和外部撞击的过程中穿刺了正负极隔膜，从而导致内部发生了短路，进而引起热失控，以致发生起火。 但此类偶然混入无法完全避免， 所以我们对锂电池提出了新的测试要求，即： 电池即使有微小颗粒混入， 需要依然能够安全的使用， 而测试电池混入微小颗粒后表现的测试即为锂离子电池的强制内短路测试。

导语 锂电池是一种高新技术产品，同时也是一种新型高容量长寿命环保电池，主要用于电动车，数码产品，UPS电源等。随着新能源汽车和手机等3C数码产品产业的爆发式增长，锂电池作为其关键组成部分也发展迅速。锂电池由四大材料组成，分别为正极材料（核心），负极材料，电解液，隔膜。这些材料都有相应的水分控制要求，一般在数百ppm范围以内，不同厂家不同规格产品要求略有不同，如果超出过多，可能会导致电极涂覆不均或者引发电解液分解，导致HF生成继而引发电极鼓包等不良反应。 因为电极材料非常容易吸水，不能长时间暴露于空气中，所以不宜采用常规的加热失重法测试，通过卡式加热进样的方式再结合卡尔费休库仑法水分测试是目前较好的解决办法。 解决方案卡尔费休库仑法测试石墨粉中的水分卡尔费休库仑法测试磷酸铁锂中的水分卡尔费休库仑法测试正极极片中的水分卡尔费休库仑法测试隔膜中的水分卡尔费休库仑法测试负极极片中的水分卡尔费休库仑法测试电解液中的水分卡尔费休库仑法测试锰粉中的水分卡尔费休库仑法测试钴酸锂中的水分相关仪器推荐 AKF-CH6锂电池卡尔费休水分测定仪是集水分测量模块和加热进样模块于一体的卡尔费休水分测定设备，仪器完全按照锂电行业用户的需求打造，外观设计新颖，使用维护方便，能够涵盖锂电行业从正负极材料、极片、隔膜到电解液；水分范围从1ppm到100%的使用需求。

随着科技的日新月异，智能手机、清洁机器人、无人机、新能源汽车等已越来越多的走进人们的日常生活。作为能量与动力的重要载体 - 锂离子电池也在被越来越多的应用。锂离子电池的性能，直接决定了科技设备的续航时间、行驶里程、载荷能力和安全性等因素。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液等四个主要部分组成，其中隔膜是核心关键材料之一，是制约电池安全性、循环寿命、电性能的关键组件。其中隔膜是核心关键材料之一，是制约电池安全性、循环寿命、电性能的关键组件。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。LLOYD材料力学试验机提供完整的锂电池隔膜力学性能测试，主要包括隔膜拉伸强度、延伸率、穿刺强度，剥离强度（涂层复合膜）等。同时LLOYD材料力学测试系统（Lloyd材料试验机）可以完成高精度的锂电池强制内短路测试，确保锂电池更加安全。今天我们首先来介绍阿美特克锂电池材料试验解决方案第一讲——锂电池隔膜拉伸测试。锂电池隔膜拉伸测试隔膜的主要作用是分隔电池的正、负极材料，防止两极接触而短路，同时还能使电解质离子通过其中。在厚度尽可能薄的前提下，需保证具有一定的物理力学强度，以满足隔膜在生产和使用过程中的种种环境。因电池生产工艺中，隔膜需要与正负极材料一同卷曲以形成我们常见的圆柱体或软包电池，足够的拉伸强度可保证隔膜在卷曲过程中不发生破裂，顺利成型。LLOYD隔膜拉伸测试采用气动夹具夹紧，在避免操作人员往复手动操作夹紧的同时，极大的提高了测试速度；同时气动夹紧排出了人为夹持过松导致的打滑现象，进一步的提高了数据稳定性。脚踏式开关可解放出操作人员的双手，以更方便和轻松的放置试样。同时为满足不同人员的操作习惯，还可通过气动辅具上的手动开关进行闭合、松开操作，为用户提供极大的便利性。拉伸试验可测定材料的一系列强度指标和塑性指标、弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标等。LLOYD 具有多种测试行程的主机可满足多类型隔膜的拉伸试验，同时还有单柱1400mm行程的机型可选，充分满足定制化需求的同时兼顾经济性。LLOYD材料力学试验机（Lloyd材料试验机）LLOYD（劳埃德）测试系统源自英国，是美国AMETEK（阿美特克）集团旗下产品。LLOYD材料试验系统专注于轻工检测，以读数级精度，高达8000Hz的单通道数据采样率，最高2032mm/min的测试速度广泛应用于世界500强企业中。LLOYD材料测试系统可准确、便捷的完成材料拉伸，压缩，弯曲，穿刺，剥离，撕裂，摩擦，蠕变，松弛，低频疲劳等多种测试项目。丰富的治具方案可在保证数据准确性的同时为用户提供极大的操作便利性。同时，作为测控系统的核心，专业的Nexygen Plus 操作软件广受广大用户的认可。软件自带庞大的国际标准库，除了ASTM, DIN, EN, ISO, JIS等国际标准，用户也可便捷的自建标准文件。

锂离子电池由于具备较高的性价比，自诞生之日起便以极快的速度抢占其他二次电池的市场份额，但是随着其应用范围的逐渐扩大以及单个电池的体积能量密度越来越高，容量越来越大，锂电池的安全性也越来越被人们所关注。为保障最终产品的质量，必须从锂电池的每个生产环节进行把控。珀金埃尔默特邀请广州能源检测研究院主任工程师，广东锂电关键新材料产业技术创新联盟专家技术委员会委员邵丹博士，并联合TESCAN公司，举办“锂电池检测专题网络研讨会”日程安排：日期：2019年6月28日时间题目主讲人14:00-14:40动力电池关键材料检测现状 邵丹博士广州能源检测研究院主任工程师14:40-15:30珀金埃尔默锂电行业解决方案陈观宇珀金埃尔默资深应用工程师15:30-16:00TESCAN产品在电池领域表征中的应用张芳TESCAN资深应用工程师详情介绍：讲座题目一：动力电池关键材料检测现状内容简介：围绕动力电池产业背景、动力电池关键材料检测标准以及全方位的测试评价动力电池及其关键材料的新技术等进行报告主讲人简介：邵丹，博士，广州能源检测研究院主任工程师，广东锂电关键新材料产业技术创新联盟专家技术委员会委员，主要从事化学储能材料及产品的相关技术研发、以及先进检测技术引进。讲座题目二：珀金埃尔默锂电行业解决方案内容简介：1．锂电池正极材料主量元素分析方法介绍2．锂电池负极材料掺杂元素分析方法介绍3．锂电池电解液分析方法介绍4．ICP-MS在锂电行业的应用优势主讲人简介：陈观宇，珀金埃尔默原子光谱资深应用工程师，从事原子光谱技术多年，是ICP及ICPMS的资深应用专家，在锂电关键材料的成分分析应用领域有着丰富的实践经验。讲座题目三：TESCAN产品在电池领域表征中的应用内容简介：1. 扫描电镜微分析平台在电池正极材料微观表征中的应用 -- 形貌（SEM），微量元素分布（EDS、TOF-SIMS）、晶体结构（EBSD、Raman）； 2. 扫描电镜微分析平台在电池负极材料微观表征中的应用 -- 形貌（SEM），微量元素分布（EDS、TOF-SIMS）、晶体结构（EBSD、Raman）； 3. 扫描电镜微分析平台在电池隔膜表面结构表征的应用； 4. X射线显微镜在电池三维无损分析中的应用。 主讲人简介：张芳，TESCAN（中国）资深应用工程师，专注于电镜及电镜联用分析技术解决方案。即刻扫码占座吧！关于珀金埃尔默：珀金埃尔默致力于为创建更健康的世界而持续创新。我们为诊断、生命科学、食品及应用市场推出独特的解决方案，助力科学家、研究人员和临床医生解决最棘手的科学和医疗难题。凭借深厚的市场了解和技术专长，我们助力客户更早地获得更准确的洞见。在全球，我们拥有12500名专业技术人员，服务于150多个国家，时刻专注于帮助客户打造更健康的家庭，改善人类生活质量。2018年，珀金埃尔默年营收达到约28亿美元，为标准普尔500指数中的一员，纽交所上市代号1-877-PKI-NYSE。了解更多有关珀金埃尔默的信息，请访问www.perkinelmer.com.cn

作者 | LPCM,University of Bordeaux I France.编译 | 文军前言上一篇中，我们向大家介绍了如何用拉曼研究锂电池充放电过程正负。今天，我们仍将和您聊一聊光谱分析对锂电池产业发展的深刻作用。您知道么，现在的拉曼光谱技术可以实时原位跟踪电池中离子浓度的变化，进而确定离子的扩散系数以及离子迁移数，在固态电解质电池分析中经常大显身手。同时越来越多的锂电研究都用到拉曼光谱技术。想要详细了解这些，您就跟我们一起走进拉曼篇（2）——固态电解质锂电池的原位研究吧！利用拉曼我们来分析什么？固态电解质电池相比传统液态电解液电池，可以有效避免电池漏液，而且还可以将电池做得更薄（厚度仅为0.1mm）、能量密度更高、体积更小，是未来锂电行业的发展方向。然而在电池的设计研究过程中，离子的扩散和定向迁移是设计任一款新型电池时必须考虑的因素，它直接关乎到电池的容量、充放电效率、使用寿命等，因此这两项指标的研究是非常重要的。目前，在液态的电解质中，有很多成熟的技术可以测量离子的扩散和定向迁移，但是对于聚合物电解质来说，这些技术已经不再适用。此时，显微拉曼光谱成为一种可供选择的替代工具，可以实时原位跟踪电池中离子浓度的变化，进而确定离子的扩散系数以及离子迁移数。接下来，我们就来以法国波尔多大学分子物理化学实验室的研究为例，看看他们是如何利用拉曼光谱技术进行锂电池研究的。1案例：锂/固态聚合物/锂对称型电池分析本案例中，波尔多大学的研究人员选用Li/PEOLiTFSI/Li对称型电池作为分析对象，利用拉曼光谱得到的浓度曲线，确定锂盐的扩散系数以及离子迁移数。在电池充电之前，研究人员首先进行一遍测量，检查整个电解质中锂盐浓度的均匀性。然后依次施加方向相反的恒定电流，利用 HORIBA 激光拉曼光谱仪原位测量达到稳定状态后电解质，建立浓度梯度。后，通过得到的实验结果，研究人员可以直观的看到电流密度和锂盐浓度值的关系（结果参见下图）。正如预期的那样，浓度梯度的大小随着所通电流密度值增大而增大。据此，我们还可以得出达到稳定状态后锂盐浓度随着弛豫时间变化的信息[1]，从而进一步确定扩散系数和离子迁移数。1. （上）锂电和PEOLiTFSI电解质之间的实验测量点，红色标记为选定的测量点，横坐标为各点之间距离2.（下）拉曼光谱成像显示出的锂盐浓度，该浓度值依赖于位置（横坐标），充放电电流和弛豫时间（左侧纵坐标）。2其他案例除了上述对锂/固态聚合物/锂对称型电池进行拉曼分析，波尔多大学的研究人员还做了两项其他方面的研究：1利用显微拉曼光谱解析电解质的P(EO)n LiTFSI薄膜中的锂盐浓度。2利用拉曼光谱对锂离子在LixV2O5负材料中的插入和脱出进行分析，发现拉曼可以作为电测试之外另一种行之有效的手段，从而更好地认识复合电中发生的离子插入。因篇幅所限，本文暂不赘述，您可以手机识别二维码索取详细测试研究分析报告。为什么越来越多锂电研究用到拉曼光谱技术？显微拉曼光谱技术可以通过一个可观察的窗口进行微型电池的原位表征，就是说我们可以实时追踪到电池中正在进行的变化。此外，现代显微拉曼技术所具备以下卓越的性能，较其他测量技术具备以下突出的优势，因此受到越来越多的锂电研究人员的关注。1实时监测锂电池的充放电过程，要求拉曼光谱仪具有快速的数据采集、拉曼成像和高通量等特点。因此，研究人员可以追踪快速的化学反应过程，如离子扩散和迁移。2电池的小型化是未来微电池的发展需求，而在透明的电解质中，显微拉曼的空间分辨率可达到衍射限（亚微米），这就使得显微拉曼助力微电池研究切实可行。致 谢本文结果是在法国波尔多大学分子物理化学实验室取得的。特别感谢J-C. Lassègues教授和L. Servant教授从他们的广泛的拉曼-光谱化学研究工作中提供的实验数据。参考文献[1] Raman spectroelectrochemistry of a Lithium/polymer electrolyte symmetric cell, Isabelle rey, jean-Luc Bruneel, Joseph Grondin, Laurent servant and jean-Claude Lassègues, J. Electrochem. Soc., 145(9), pp3034-3042.免责说明HORIBA Scientific公众号所发布内容（含图片）来源于文章原创作者提供或互联网转载。文章版权、数据及所述观点归原作者原出处所有，HORIBA Scientific 发布及转载目的在于传递更多信息及用于网络分享，供读者自行参考及评述。如果您认为本文存在侵权之处，请与我们取得联系，我们会及进行处理。HORIBA Scientific 力求数据严谨准确，如有任何失误失实，敬请读者不吝赐教批评指正。我们也热忱欢迎您投稿并发表您的观点和见解。HORIBA科学仪器事业部结合旗下具有近 200 多年发展历史的 Jobin Yvon 光学光谱技术，HORIBA Scientific 致力于为科研及工业用户提供先进的检测和分析工具及解决方案。如：光学光谱、分子光谱、元素分析、材料表征及表面分析等先进检测技术。今天HORIBA 的高品质科学仪器已经成为全球科研、各行业研发及质量控制的首选。

8 月 16 日 - 18 日，2017 第二届亚太电池技术展览会在广州琶洲国际会展中心举行。飞纳电镜作为锂电材料形貌成份高效检测工具，盛装出席此次会议，现场展示了飞纳电镜高分辨率专业版 Phenom Pro 和飞纳电镜大样品室卓越版 Phenom XL，其中 Phenom XL 集成了背散射电子成像，二次电子成像与能谱分析等功能，两台台式扫描电镜吸引了众多参观者的目光。由于新能源汽车的高速增长，各锂电池企业纷纷扩产。相对以往单纯追求产能的突破外，行业内先行企业把目光投射到材料研发带来的电池产品性能提升上。锂电池主要由五部分构成，即正极材料、负极材料、电解液、隔膜和包装材料。其中，包装材料和石墨负极技术相对成熟，成本占比不高。锂离子电池的核心材料主要是正极材料、电解液和隔膜。其中，正极材料是锂电池最为关键的原材料，占锂电池成本的 30% 以上。材料的研发少不了一双“眼睛”，这双眼睛就是扫描电镜。扫描电镜可以对锂电池材料的正极材料，负极材料，隔膜，极片等进行微观的形貌检测及元素成份分析。飞纳台式扫描电镜使用独特的 CeB6 灯丝，提高了扫描电镜的分辨率，保证了图像质量。由于操作简单，维护方便，抽真空时间短，大大地提高检测效率，受到锂电池企业客户的青睐。设计精巧，完全防震，省去了客户为精密仪器安装环境要求高的担忧。即时在展会现场喧闹的环境中，飞纳电镜仍然能高效运行，30 秒成像，持续稳定地工作。锂电池正极材料由于中国大型锂电正极材料近十年迅速发展，产品质量大幅度提高，并具备较强的成本优势，近年来日韩锂电企业开始逐步从中国进口锂电正极材料，据悉目前中国锂电正极材料市场份额已占据全球一半左右，未来发展空间仍广阔。飞纳电镜拍摄的锂电池正极材料锂电池负极材料负极材料作为锂电池的四大关键材料之一，决定了锂电池充放电效率、循环寿命等性能。锂电池负极材料国内技术成熟，碳材料种类繁多，成本比重最低，在 5-10% 左右。现阶段负极材料研究的主要方向如下：石墨化碳材料、无定型碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金和其他材料。飞纳电镜拍摄的锂电池负极材料隔膜隔膜在成本构成上仅次于正极材料，占 20-30%，隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能。飞纳电镜拍摄的锂电池隔膜更多体验，尽在飞纳电镜飞纳台式扫描电镜 VR 之旅手套箱版台式电镜有些锂电池材料很容易与空气发生反应，影响形貌成份分析，飞纳电镜发布全球首款手套箱版台式电镜，实现扫描电镜放置在手套箱内，制样-观察全程惰性气体保护。原位通电样品杯允许用户将电探针连接到样品进行原位测量

p style="text-indent: 2em "电动汽车、智能手机、智能手环、扫地机器人……电子产品已经逐渐成为人们的必需品。随之而来的，是动力与储能电池越来越广泛地应用于生产和生活的各个领域。在这个过程中，大容量电池的安全性、废旧电池的回收处理和梯次利用等成为社会关注的焦点问题。/pp style="text-indent: 2em "近日，由上海空间电源研究所牵头、以“动力与储能电池系统全生命周期管理”为主题的第627次香山科学会议学术讨论会在上海召开。与会专家指出，我国应建立对动力与储能电池系统的全生命周期管理，加强资源综合利用，共同促进社会可持续发展。/pp style="text-indent: 2em "锂电池困局待解/pp style="text-indent: 2em "据中国化学与物理电源行业协会统计，中国已成为全球锂电池发展最活跃的地区。2016年，中国锂电池市场规模约为1115亿元，动力锂电池需求605亿元，同比增长65.8%。2020年，动力电池需求量将达到2015年的5倍。/pp style="text-indent: 2em "“虽然我国电池产量世界第一，但是单位产能利润低于日本。”上海市科委副主任秦文波在会议中指出，我国电池行业之所以出现高产量、低收益现象，原因在于缺乏自主知识产权。我国在锂电池的核心原材料及部件水平、制作工艺上，都与发达国家存在一定差距。/pp style="text-indent: 2em "新能源汽车的续航能力是锂电池水平的突出反映。数据表明，2017年我国新能源汽车保有量为153万辆，预计2020年将突破500万辆大关。“但大多数电动汽车电池的续航能力，可能无法支撑车辆从上海跑到合肥。”一名与会专家说。/pp style="text-indent: 2em "使用后的锂电池则留下了诸多隐患。此次会议执行主席、厦门大学教授、中国科学院院士孙世刚表示，废旧的锂电池存在爆炸等安全隐患，且对环境污染严重。/pp style="text-indent: 2em "全生命周期管理/pp style="text-indent: 2em "在专家们看来，“全生命周期管理”有望成为解决锂电池诸多问题的有效手段。清华大学汽车工程系教授张剑波介绍说，全生命周期管理可分为设计生产、一次使用和梯次利用与回收三个阶段。/pp style="text-indent: 2em "2016年，三星Galaxy Note7手机发布仅一个多月，就在全球范围内发生30多起因电池缺陷造成的爆炸和起火事故。“为避免这类事故发生，需要从电池设计上进行改进。”张剑波告诉《中国科学报》记者。在设计方法上，通过模型事先设定各种设计参数空间并进行实验验证后再投入生产的方式，能够围绕生产线的稳定和产品安全，进行试验线、中试线与量产线的三线整合并快速过渡。/pp style="text-indent: 2em "会议执行主席、上海空间电源研究所研究员解晶莹则认为，对锂离子电池状态进行准确的评估和预测，是电源系统高效利用的关键。“基于状态评估与预测的电池全生命周期管理，其核心还是对电池状态的在线诊断与预测。一方面，针对服役时间较长的电池系统，须对其不同生命阶段的性能进行评估与预测；另一方面，也需要对电池系统全生命周期下的安全性能演变进行评估。”她说。/pp style="text-indent: 2em "而梯次利用废旧电池有望促进循环经济。例如，对于使用过的低容量锂电池，可应用于低速车与储能，待容量耗尽后可进行破碎分解，提取出有效物质。/pp style="text-indent: 2em "目前，研究人员已在锂电池的回收工艺上取得一定进展。中南大学资源加工与生物工程学院教授孙伟在会议报告中介绍说，其带领的团队已经开发出以废旧负极石墨作还原剂的回收新工艺。“这一过程更加高效低廉，能充分利用其蕴含的热量和还原性，同时富集回收的锂资源，具有环保和经济效益。”他说。/pp style="text-indent: 2em "有效监管亟待出台/pp style="text-indent: 2em "在专家们看来，当前电池生产、使用、回收等各环节监管还处于无序的状态。/pp style="text-indent: 2em "“前期电池的设计生产阶段，相关机构还没有设立标准并进行有效监管。”张剑波表示，锂电池的设计是实现绿色环保化材料分解回收的前提基础。/pp style="text-indent: 2em "此次会议执行主席、中科院物理研究所研究员、中国科学院院士陈立泉认为，回收责任主体亟待规范。“究竟应当由谁来回收电池，是生产者还是使用者？这个问题应当得到重视。”/pp style="text-indent: 2em "与会专家指出，国家应明确相关法律制度，对生产品消费后的回收处理和再生利用阶段的责任归属予以规范。同时，行政管理部门应加强市场调控、优化组织管理，进一步完善对全生命周期系统的监管机制。/ppbr//p

TESCAN微分析综合解决方案，实现了原位二维、三维的高分辨形貌结构观测、微量轻元素分析和化学结构分析等多种分析功能的一体化，是锂电池行业微分析检测的优异工具。众所周知，在电池技术领域，电池容量和充电速度一直都是亘古不变的话题，放眼全球电子设备市场，已经问世多年的锂电池依旧是这一领域的绝对霸主。锂离子电池的概念从1970年被美国的M.S. Whittingham教授首先提出，到1985年被开发成功，再到1991年Sony公司商业化生产到现在，总共经历了40多年时间，虽然电池技术始终没有取得突破性进展，但仍然会涌现出各种新电池材料以及对现有的各种电极材料进行改性的新型材料，而这些新材料的涌现，也给这一领域不断带来一些小惊喜。当然，电池的微观分析检测技术也在不断的发展和创新，TESCAN锂离子电池微分析综合解决方案，在传统的利用扫描电子显微镜进行微观形貌的观测基础上，引入了创新的扫描电镜-拉曼一体化技术(SEM-Raman) 以及聚焦离子束双束扫描电镜-飞行时间二次离子质谱一体化技术(FIB-SEM-TOF-SIMS)，实现了原位二维、三维的高分辨形貌结构观测、微量轻元素分析和化学结构分析等，是锂电池行业微分析检测的优异工具。 锂离子电池结构锂电池以含锂的化合物作正极， 如钴酸锂(LiCoO2)、锰酸锂(LiMn2O4)或磷酸铁锂(LiFePO4)等二元或三元材料；负极采用锂-碳层间化合物，主要有石墨、软碳、硬碳、钛酸锂等；电解质由溶解在有机碳酸盐中的锂盐组成；聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)微孔膜作为隔膜位于电池内部正负极之间，保证锂离子通过的同时，阻碍电子传输，目前主要有单层PE、单层PP、3层PP/PE/PP复合膜。形貌观测 (SEM/FIB-SEM)隔膜正极材料负极材料电解质元素分析 (FIB-SEM-TOF-SIMS)锂元素分析由于锂元素是轻元素，含量低，常用的EDS分析无法解决这一难题，而FIB-SEM-TOF-SIMS可以很好地解决这一难题。传统的电镜+能谱分析方法，检测不出锂元素FIB-SEM-TOF-SIMS一体化技术，检出限低至ppm，轻松检测Li元素原位元素分析FIB-SEM-TOF-SIMS可以原位观测多次充放电后锂离子的分布变化，并可三维重构分析。充放电前(左)和15次充放电后(右)锂离子的分布图15次充放电前后电极活性粒子(左)、孔隙度与炭黑以及其他非活性物质(中间)以及相之间的界面(右) 三维重构物象分析 (SEM-Raman)材料鉴定及分布分析电镜-共聚焦拉曼一体化系统RISE可以识别碳材料、金属氧化物、高分子聚合物、电解质中的材料，并确认晶体种类和结晶度，以及识别固态、液态和气态。石墨烯电极是负极材料的最新发展。石墨烯相对于石墨，储锂空间多，可以提高电池的能量密度，并且石墨烯颗粒尺度为微纳米量级，锂离子的扩散路径短，有利于提高电池的功率性能，此外石墨烯电极还有助于提高电池的倍率性能和安全性。SEM-Raman图像，红色反映了高质量石墨烯的分布原位物象分析拉曼谱带的峰高、峰宽和比例反映了同种材料的结晶度差异。电镜-拉曼一体化系统也可以原位检测锂离子在充放电过程中嵌入与脱出造成的碳材料晶体结构和结晶度变化。科学与技术的碰撞，推动锂电行业快速发展2018年1月13-15日，由《自然》研究与南方科技大学联合主办的"2018 Nature Conference-材料电化学研究与应用大会"在深圳市华侨城洲际酒店盛大开幕，来自全球、在电化学能源领域顶尖的科学家、工程师以及工业界领袖汇聚一堂，探讨了目前在实现电化学能源转换和储存技术突破方面的最新进展，以及推动对可再充电电池、燃料电池和电催化系统等所面临的挑战。2018Nature Conference大会开幕式现场作为全球电子显微镜及聚焦离子束领域的技术领导者和创新者，TESCAN公司参加了此次大会，展示了TESCAN锂离子电池微分析综合解决方案的创新技术和应用，引起了很多学者的浓厚兴趣，与TESCAN现场工作人员进行了深入的沟通与交流。同期，TESCAN也举办了丰富多彩的现场抽奖活动，吸引参会观众踊跃参与。TESCAN展台风采掠影如欲了解更多SEM-Raman、FIB-SEM-TOF-SIMS一体化系统应用案例，请 关注“TESCAN公司”官方微信联系我们~

概述锂电池与我们生活密切相关，比如手机、ipad、电脑、充电宝、玩具、电动汽车、电动轻型车和新型储能等都有锂电池的身影，锂电池综合优势与下游领域对电池大容量、高功率、使用寿命和环境保护日益提升的需求相契合，存在广阔的市场应用前景。锂离子电池四大关键材料包括正极材料、负极材料、隔膜、电解液。锂电池的正极材料中，行业已经认可镍钴锂、磷酸铁锂等材料，不过也有许多企业逐渐转入了新型复合材料的研发中，液相色谱串联高分辨质谱仪在该研发过程中，可以在探究新型材料氧化还原反应机理研究、及活性基团位置不同对电化学性能的影响等方面贡献力量。金属锂的高化学活性使其易于与大多数电解质发生不可逆反应，从而在阳极表面形成固体电解质层（SEI）。液相色谱串联高分辨质谱仪可以对SEI膜成分进行结构解析，帮助研究其形成机制，减少其形成。电解液被誉为电池的“血液”，是实现锂离子在正负极迁移的媒介，对锂电容量、工作温度、循环效率以及安全性都有重要影响。所以对电解液体系中的特有成分的鉴定，杂质鉴定，其在不同电极作用，不同循环次数，不同放置时间，不同添加剂等等条件变化下电解液组成的变化，反应机理的研究，这对电池性能研究都具有重要作用。X500R QTOF 系统在锂电池电解液成分分析的应用研究本实验采用X500R QTOF系统的IDA+DBS采集技术对锂电池电解液成分进行快速准确鉴定，仪器标配的ESI源和APCI源可兼顾不同性质的化合物，IDA+DBS采集技术能够保证在有限的时间内采集到的有效信息，一针进样同时获得高分辨一级和二级质谱图，应用SCIEX OS软件对数据分析，为表征电解液提供解决方案。图 1 数据处理流程图流程一：SCIEX OS软件并结合SCIEX高分辨二级谱库的靶向流程SCIEX OS软件可以设定的条件，快速筛选出一级偏差准确，同位素分布合理，二级质谱图匹配得分高的结果，帮助我们快速鉴定化合物。图2 TOF MS和TOF MS/MS谱图流程二：统计学分析得到差异化合物鉴定流程对于不同品牌来源，不同放置时间，不同循环时间的电解液等样本的差异比较，可以采取组学的思路，使用SCIEX OS软件中MarkerView&trade 统计学分析模块进行PCA，T-test等统计学分析，MarkerView&trade 统计学分析模块和Explorer鉴定化合物模块互相链接，无需不同软件间转移，减少格式转化带来的数据丢失。可以将原始数据导入MarkerView&trade 统计分析后得到样本间具有统计学差异的离子后，可以直接查看一级和二级质谱图，进行鉴定分析。图3 MarkerView&trade 统计学界面展示流程三：非靶向流程软件可以设置空白样本，根据设定的峰面积比扣除空白样本中的离子，软件自动将不同加和离子形式和不同电荷数进行分组，增加鉴定准确度并减少重复鉴定的工作量。提取出来的离子会自动给出分子式，链接SCIEX本地数据库或者在线数据库进行检索，根据和二级质谱图匹配的情况，给出得分，同时也可以根据软件自动给出的二级偏差判断碎片归属，二级碎片可以和结构一一对应，有助于我们进行结构解析，分析合理性图4 非靶向流程中部分界面展示小结本实验采用X500R QTOF系统的IDA+DBS采集技术对锂电池电解液成分进行快速准确鉴定，分别使用ESI源和APCI源对样本进行采集，兼顾不同性质的化合物，可以更全面的表征化学成分。IDA+DBS采集技术能够保证在有限的时间内采集到的有效信息，一针进样同时获得高分辨一级和二级质谱图，应用SCIEX OS软件并结合SCIEX高分辨二级谱库的靶向流程简便且准确。对于不同品牌来源，不同放置时间，不同循环时间的电解液等样本的差异比较，可以使用统计学软件找到统计学差异的离子，进行鉴定分析。也可以采用软件自动扣除空白，自动识别离子的不同加和离子形式，电荷形式，结合SCIEX本地数据库或者在线数据库的非靶向流程，是结构鉴定和解析的有力工具，为表征电解液提供了的解决方案。 参考文献 [1]冯东,郝思语,谢于辉,等.锂离子电池电解质研究进展[J].化工新型材料,2023,51(2):35-41.[2]付文婧,汪熙媛,柯伟,等.汽车电动化的重要发展方向——锂电池技术[Z].时代汽车,2023(7):123-125.[3]Ma, Ting, et al. "Functional Polymer Materials for Advanced Lithium Metal Batteries: A Review and Perspective." Polymers 14.17 (2022): 3452.

中国科学院上海硅酸盐研究所与索尼公司共同创建的锂电池联合实验室，昨天在沪揭幕。研究方向直指电动汽车的“心脏”——电池，期待能为电动汽车开发出一种大容量储能电池，其能量密度堪比汽油。中科院副院长施尔畏出席揭幕仪式。　　据悉，这是上海硅酸盐所与索尼组建的第二个联合实验室。此前，双方分别在钠硫电池和锂离子电池研发领域积累了丰富的经验。

627香港避风塘游艇火灾事件2021年6月27日凌晨，香港仔南避风塘发生三级火警，据悉首先起火的是一艘游艇，因海面水道狭窄，加上风势令火蔓延至附近船只，最终造成30多艘船受损，至少10多艘沉没的严重后果。事故现场图图片源于网络，侵删锂电池的应用便捷与风险共存近年来游艇火灾的显著增加不容忽视，许多行业评论员强调了船上储存锂离子电池供电设备的风险。这提高了人们对在海洋环境中储存和充电电船和玩具所涉及的风险认识，特别是对于大型电池数量通常更多的超级游艇。锂电池可节省约70%的重量，并且由于其更高的存储容量、更长的使用寿命和较低的维护成本而越来越受欢迎。近些年对更轻薄、更紧凑、更强大的电子产品和续航里程更高的车辆、船舶等需求明显增加，这反过来又导致对具有更高存储容量电池的需求增加。前段时间，我们通过马耳他海事安全调查局（MSIU）对停泊在意大利奥尔比亚的MY Siempre船上火灾的报告中得知，并不能排除锂电池是火灾的原因，也不能排除其是强度和蔓延的因素。游艇上有十多种不同的玩具，大火发生在开放的船尾甲板上，大部分玩具都存放在那里。热像仪：24小时连续监控锂电池电池的进步已经导致锂离子技术在许多行业中更加普及，不仅仅是船舶行业，但游艇所有者可以做些什么来最大程度地降低船上的风险呢？由于发生的这些事故以及其他因素，我们发现越来越多的游艇所有者对FLIR AX8连续状态和安全监控用红外热像仪表现出极大地兴趣，该热像仪可以连续监控各种设施的温度状况。它的主要优点之一是可以安装在玩具仓库内，让游艇所有者和船员有机会更早地收到任何警告信号的警报。FLIR AX8温度范围为-10至150℃，热灵敏度仅为100mK，这意味着屏幕上可以显示低至0.1℃的温度变化。它还拥有46°x37°的视场角，如果您在一个地方存放了大量玩具，它也能监视全面，不放过任何潜在危机。FLIR Ax8热像仪安全监控用热像仪的区别在于预知，您不需要等待检测到烟雾，温度发生异常变化时就能被捕捉到并发出警报，从而提供宝贵的复检时间以确保船上人员的安全以及获得解决问题的机会，并提高避免游艇发生事故的概率。由于火灾具有挑战性，为确保船上人员的安全，任何时间都是至关重要的。FLIR Ax8拍摄的热图像我们知道红外热像仪无法解决问题，但它可以大大降低风险，确保船上人员的安全。锂电池技术和火灾风险在不久的将来依旧存在，因此如果有机会，游艇所有者必须考虑尽可能多的预防措施。FLIR AX8尺寸仅为54x25x95mm能轻松安装于空间狭小的区域价格经济实惠能提供7*24小时连续温度监控和报警功能

概 述 锂离子电池作为一种新型无污染、可再生的二次能源装置，具有输出电压高、比容量高、寿命长等优点，因此成为了手机、笔记本电脑、电动汽车以及航空航天领域的理想电源之选。正极材料、负极材料、电解液以及隔膜是锂离子电池的核心组成部分，电解液的主要作用是承载着锂离子在正负极之间的传导，组成部分包括锂盐、有机溶剂以及功能添加剂。隔膜起着隔开正、负极材料的作用，防止二者接触造成短路，其主要是由过孔的高分子聚合物薄膜构成，在实际应用过程中，锂离子电池充电/放电就是靠锂离子在正、负极材料中可逆的嵌入/脱出来完成。作为锂电池的核心组成之一——负极材料，今天就随小编来一起探究锂离子电池负极材料的神秘世界吧。一、样品制备 为了更好地观察锂电池负极材料的内部结构，小编们决定观察负极材料的截面，但是传统的截面样品制备方式或多或少地会使样品形貌失真，比如剪切的话会使样品表面产生应力，为了更好地观察负极材料的真实结构，于是小编们将样品制备在挡板上，采用Gatan的氩离子抛光仪对样品截面进行抛光处理后观察。图一：(A)、原始样品(B)、将样品剪切合适后粘在挡板上(C)、抛光处理后的样品图一：样品的制备二、锂电池负极材料的SEM分析采用ZEISS的sigma 500电镜观察样品的形貌，从图二的A图负极材料截面宏观形貌图可以看出锂电池负极材料分为上中下三层， 从图二的B图可以看出负极材料其形貌存在层状结构，从图二的C、D图可以看出出现了不同的成分衬度，代表着不同的元素分布。三、锂电池负极材料的元素分析 结合图三的A图SEM图和能谱面分布B、C图可以看出，锂电池负极材料的上下两层主要是石墨且掺杂有硅。自锂电池问世以来，石墨一直是负极材料的主流，石墨为层状结构，层与层之间通过范德华力结合在一起，层内碳原子统统以sp2杂化的共价键结合。其具有的优良导电性和高度结晶的层状结构，有利于锂离子的嵌入与脱出，且其具有工作电压平台较低以及稳定性好等特点，但是其理论比容量仅为372mAh/g，实际生产应用的产品已经能达到360mAh/g，接近其理论比容量，因此石墨负极已经难有提升空间。硅理论比容量高达4200mAh/g，而且具有较低的嵌锂电位，然而，硅在电化学循环过程中，体积变化高达400%，严重影响其比容量、库伦效率和循环稳定性等电化学性能，因此为充分利用硅和石墨的优点，同时克服其缺点，在石墨材料中掺硅是获得高比容量负极材料的有效途径。 根据锂电池的工作原理和结构设计，负极材料需涂覆于导电集流体上。金属箔是锂离子电池集流体的主要材料，其作用是将电池活性物质产生的电流汇集起来，以便形成较大的电流输出。通过图三的能谱面分布D图可以看出锂电池负极材料采用的金属箔是铜箔，这主要是铜箔具有良好的导电性、质地较软、制造技术较成熟、价格相对低廉等特点，因而成为锂离子电池负极集流体首选。一般将配好的负极活性浆料均匀涂覆在铜箔表面，活性材料厚度为50~100um，经干燥、滚压、分切等工序，制得负极电极，铜箔在锂离子电池内既可充当负极活性材料的载体，又可充当负极电子收集与传导体。结 论 通过扫描电镜的显微观察以及能谱分析，可以看出该锂电池的负极材料主要由掺硅的石墨涂覆在铜箔上组成，是一种常见的锂电池负极材料，人们为了获得性能更好的负极材料，已经出现了众多类型的锂电池负极材料，但是随着大家对锂电池负极材料的研究越来越深，锂电池负极材料的种类也将更加丰富。根据锂离子电池的形状锂离子电池可分为圆柱形的锂离子电池、方形的锂离子电池、扣式锂离子电池等，下图是锂离子电池的结构图。图五：(A)、圆柱形锂离子电池的结构(B)、方形锂离子电池的结构(C)、扣式锂离子电池的结构图五：锂离子电池的结构图下期有什么精彩内容呢？敬请期待吧！

p style="text-indent: 2em "span style="font-family:宋体"锂电行业近年来正在快速增长，并对多类光学、物性检测领域的仪器设备有着强烈需求。对于锂电池的电池材料来说，粒度、细度的检测是重要的相关参数，因而对激光粒度仪仪器厂商，锂电行业就此成为了他们书写市场红利新篇章的重要笔墨。/span/pp style="text-align: center text-indent: 2em "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/a0946e4d-f5d6-4005-b98d-768e0013fd6b.jpg" title="1.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 2em "strongspan style="font-family:宋体"锂电池/span/strong/pp style="text-indent: 2em "span style="font-family:宋体"粒度和粒径分布影响着锂电池材料性能的方方面面，特别是在生产流程，粒度粒径的检测有助于试验阶段的通过/span/span style="font-family:宋体"失败检测、过程控制、以及每个工厂的出货控制。对锂电池，特别是聚焦舆论大量视线的锂离子电池，在原材料管控阶段，主要有三类电池材料需要进行粒度检测——正极材料、负极材料和隔膜材料，所需的粒径检测范围在/span10nmspan style="font-family:宋体"到/span5mmspan style="font-family:宋体"之间。/span/pp style="text-indent: 2em "span style="font-family:宋体"以锂离子电池的正极材料为例，粒径/spanD50span style="font-family:宋体"是关键性的质量控制指标之一，无论是磷酸铁锂电极还是其他主流锂合金氧化物电极都不例外。/spanD50span style="font-family:宋体"是表示粒径大小的典型值，其标准定义是累计分布百分数达到/span50%span style="font-family:宋体"时对应的粒径值，又名中值粒径、中位径。电池正极对原材料的粒径要求波动范围较大，一般在/span1-20span style="font-family:宋体"μ/spanmspan style="font-family:宋体"之间。具体指标主要受到材料种类和工艺要求的双重限制。负极材料的粒径对电池的初始放电容量和首次效率等参数有重要影响，还是以锂离子电池为例，其负极石墨材料的平均粒径较为集中地分布在/span16-18span style="font-family:宋体"μ/spanmspan style="font-family:宋体"之间时，最为合适。电池隔膜，介于正负极材料之间，也是电池结构重要的组成部分，其中需要添加氧化铝等阻燃材料，这些阻燃材料的粒径需求则呈现随着隔膜层厚度不断提升，粒径不断减小的趋势，目前甚至需要达到亚微米甚至纳米级的要求。/span/pp style="text-align: center text-indent: 2em "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/9c1cbb85-5a43-475e-978d-bc165aef7207.jpg" title="2.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 2em "strongspan style="font-family:宋体"锂电池结构示意图/span/strong/pp style="text-indent: 2em "span style="font-family:宋体"电池的工艺特性、充放电容量、体积能量密度等重要参数都会受到电池材料粒度的影响，/span span style="font-family:宋体"而在各种粒度检测方法中，激光粒度仪因具有操作简便、可测颗粒数、等效概念明确、速度快、准确性好等优点，受到锂电市场的青睐。在激光粒度仪的各类技术指标中，“分辨能力”对于电池材料的检测有着极为重要的意义。分辨能力是指激光粒度仪对样品中不同粒径之间的区分能力。这种能力对电池材料的检测非常重要，例如，过小颗粒的石墨粉中往往具有较多的菱方结构，用参有这种石墨材料的锂电池，储锂容量就会比较小，而分辨能力高的激光粒度仪，就能较容易地检测出石墨原材料中的菱方结构。/span /pp style="text-align: center text-indent: 2em "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/f3d5ee0f-102d-47ac-9a4e-773ee5e791bc.jpg" title="3.jpg"//pp style="text-align: center text-indent: 2em "strongspan style="font-family:宋体"激光粒度仪原理示意图/span/strong/pp style="text-indent: 2em "span style="font-size:14px font-family:宋体"评估激光粒度仪分辨能力的方法有很多，最常见的就是测量在已知粒径的标准样品中加入少量比例已知的大/spanspan style="font-size:14px font-family:' Calibri' ,' sans-serif' "//spanspan style="font-size:14px font-family:宋体"小颗粒样品，看测试结果是否能满足真实的差异。目前在市场上，激光粒度仪的分辨能力往往从散射光能分布角度、信噪比光学电子设计、高精度的模数转换及反演计算水平等角度改进。而具有高品质高分辨率元器件、装配工艺及算法数控优化水平高的激光粒度仪，也越来越为锂电行业所重视。/span/p

2023（第一届）锂电池用胶粘材料技术与应用创新论坛，我们在现场等您 顺应中国锂电池产业迅猛高速发展的形势，为助推中国锂电池用胶产业快速高质发展， 粘接资讯、新材料产业联盟、深圳市电池行业协会等单位特携手于在深圳联合举办 “2023（第四届）中国新兴用胶市场技术创新与发展论坛“暨 “2023（第一届）锂电池用胶粘材料技术与应用创新论坛”。2023（第一届）锂电池用胶粘材料技术与应用创新论坛，我们在现场等您造成电池出故障的原因有以下几个方面 新能源汽车，是解决能源、环境、城市交通等问题的一个主流趋势，也是未来汽车产业发展的一个主要方向。作为新能源汽车的动力之源,动力电池出故障是引起安全性的主要原因,新能源汽车约80%故障来源于动力电池。调查发现,造成电池出故障的原因有以下几个方面：电池漏液、局部短路、绝缘受损。当电池受到外力撞击、过度充放电热量堆积时都可能产生上述问题,最造成起火爆炸事故。为提高动力电池的安全性，对胶黏剂的选择也提出了更高要求。北斗仪器-我们在现场等您广东北斗精密仪器有限公司作为此次参展商，给大家携带了一款我们的明星产品-CA200视频接触角测量仪，该产品适用于固体表面处理评价、等离子清洗效果分析、表面清洁度分析、固液体之间或固体黏驸特性研究、液体配方设计、表面印刷性能的表征、分析表面改性、玻璃（包括塑料或金属等固体）表面润湿性研究等。在手机制造、玻璃制造、表面处理、材料研究、化学化工、半导体制造、涂料油墨、电子电路、纺织纤维、医疗生物等领域，接触角测量已经成为了一项评估表面性能的重要仪器。

对于锂离子电池，锂离子在电极材料中迁移的动力学过程决定了电池的宏观性能。比如，离子迁移的快慢决定了充电放电的速率，离子迁移的数量对应了电池的容量，离子迁移引起的结构恶化是电池寿命变短的根本原因。因此研究锂离子在电极材料中的迁移过程是我们了解电池工作原理、失效原理等的关键。透射电子显微镜是研究材料结构的利器，结合原位局域场探测的手段，则能在原子尺度下实时监控外场下的结构演化。这种表征手段很适合于研究锂电池中电化学势驱动的离子迁移。北大电镜室俞大鹏院士团队的高鹏研究员在过去几年在一直从事原位电镜局域场探测固态离子迁移的研究。他们与合作者曾成功地观察到离子导体中氧空位的迁移(JACS 132, 4197，2010)，阻变存取器件中的Ag、Ni、Cu、Pt等金属离子的迁移行为(Nat.Commun. 3, 732 ，2012) Nat.Commun. 5, 4232，2014))等。　　最近，高鹏研究员课题组研究了Li和Na离子在二维材料中的迁移行为，取得了系列进展， 包括Li离子在SnS2中的迁移(Nano Lett 16， 5582，2016，作者：Peng Gao*, Liping Wang, Yu-Yang Zhang*, Yuan Huang, Lei Liao, Peter Sutter, Kaihui Liu, Dapeng Yu, En-Ge Wang)，Na离子在SnS2中的迁移(Nano Energy 32, 302，2017)，Na离子在MoS2中的迁移(ACS Nano 9， 11296，2015)。这些具有van der Waals相互作用的二维材料，不仅仅展现出了优异电学、力学、光学性能，也是重要的能源存储材料。作为电池电极材料，van der Waals相互作用系统的最主要特征就是层间相互作用很弱，碱金属离子能够比较容易地在其中发生迁移。他们的研究发现，在二维材料中离子插入和拔出的反应路径是不对称的，这种不对称的反应路径对应着充放电过程中不对称电压平台。该研究揭示了这些层状锂电池电极材料中低能量效率的一个根源。高鹏研究员为这些论文第一作者和通讯作者。　　另外，他们与东南大学合作研究了Na离子在尖晶石NiCo2O4纳米结构的迁移行为(Adv. Fun. Mater., DOI: 10.1002/adfm.201606163，2017)，也发现了类似的非对称反应路径。高鹏研究员为论文共同通讯作者。　　原子尺度上实时跟踪锂电池电极材料SnS2中的离子迁移过程电子束诱导的spinel -rocksalt的核壳结构。Rocksalt 核的直径约3 nm，相界宽度约1~2nm。　　此外，他们和日本东京大学的合作者用电子束激发的方法，发现LiMn2O4中的Li和Mn离子都会发生迁移，发生从尖晶石到岩盐的结构相变(Chem. Mater. 29，1006，2017)。一般认为，这种结构相变会导致LiMn2O4电池的容量损失和电压降低。他们利用球差矫正透射电子显微镜，跟踪了Li和Mn 在氧四面体和氧八面体之间的迁移过程，揭示了离子迁移过程中的中间相、迁移路径、相界的原子结构、以及阳离子迁移伴随着的氧原子位置的自我调整，据此提出了一些可能的提高电极材料稳定性和电池寿命的方法。高鹏研究员为论文第一作者和共同通讯作者。　　由俞大鹏院士领导的北京大学“电子光学与电子显微镜实验室”-校级大型公共仪器平台在2015年底増置了两台国际上迄今最先进的球差矫正透射电镜: Nion公司的配置单色仪的U-HERMES200(能量分辨率8 meV)和FEI公司的双球差矫正的Titan Cubed Themis G2 300 (空间分辨率60 pm)。与此同时，俞大鹏院士也积极在国际上积极招募青年才俊，重点发展电子显微学新技术在材料科学方面的应用，进一步提高大型高端仪器的管理水平、提升电镜平台服务效率和质量。目前，FEI双球差矫正电镜正在调试当中。　　该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、量子物质科学协同创新中心、千人计划和电子显微镜实验室等的大力支持。　　论文链接:　　http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b02136　　http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5b04950　　http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.6b03659　　http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285516306176

作者：甘露雨 1,2 陈汝颂 1,2潘弘毅 1,2吴思远 1,2禹习谦 1,2 李泓 1,2第一作者：甘露雨（1996—），男，博士研究生，研究方向为锂离子电池安全性，E-mail：ganluyu@qq.com；通讯作者：禹习谦，研究员，研究方向为高比能锂电池关键材料、电池先进表征与失效分析，E-mail：xyu@iphy.ac.cn。单位： 1. 中国科学院物理研究所，北京 100190；2. 中国科学院大学材料科学与光电技术学院， 北京 100049DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0047摘 要 作为新一代电化学储能体系，锂离子电池在消费电子产品、交通动力系统、电网储能等领域具有重要的应用价值。然而，在锂离子电池的商业化进程中，安全性事故时有发生，影响了锂离子电池的大规模应用。本文从电池安全性的三个研究尺度：材料、电芯、系统，综述了与之对应的重要研究方法，其中每个尺度均包括基于物理样品的实验方法和基于计算机数学模型的模拟方法。本文介绍了这些方法的基本原理，通过典型案例展示了这些方法在安全性研究中的适用场景和作用，并探讨了实验和模拟方法之间的联系，着重介绍了材料热分析、材料加热过程中结构分析、电芯加速度量热分析、电芯安全性数值模拟等方法。基于对多尺度研究策略的系统综述，认为安全性研究需要在各个尺度联合同步开展。最后，展望了下一代锂电池，如固态电池、锂金属电池等，可能面临的电池安全性问题。这些新体系的安全性研究仍处于早期，其材料和验证型电芯的安全性研究是当前阶段值得关注的重要课题。关键词 锂离子电池；安全性；实验方法；数值模拟；固态电池；锂金属电池锂离子电池的研究始于1972年Armand等提出的摇椅式电池概念，商业化始于1991年SONY公司推出的钴酸锂电池，经历超过三十年的迭代升级，已经成熟应用于消费电子产品、电动工具等小容量电池市场，并在电动汽车、储能、通信、国防、航空航天等需要大容量储能设备的领域中展现出了巨大的应用价值。然而，自锂离子电池诞生开始，安全性便一直是限制其使用场景的重要问题。早在1987年，加拿大公司Moli Energy基于金属锂负极和MoS2正极推出了第一款商业化的金属锂电池，该款电池在1989年春末发生了多起爆炸事件，直接导致了公司破产，也促使行业转向发展更稳定地使用插层化合物作为负极的锂离子电池。如图1所示，锂离子电池进入消费电子领域后，多次出现了因电池火灾隐患而开展的大规模召回计划，2016年韩国三星公司的Note7手机在全球发生多起火灾和爆炸事故，除了引起全球性的召回计划外，“锂电池安全性”再次成为广受关注的社会话题。在电动交通领域，动力电池的安全性事故伴随着新能源汽车销售量的提升逐渐增加，据统计，中国在2021年有报道的电动车火灾、燃烧事故超过200起，电动汽车安全性成为消费者和电动车企最关心的问题之一。在储能领域，韩国在2017—2021年期间发生了超过30起储能电站事故，2021年4月16日北京大红门储能电站爆炸事故除导致整个电站烧毁外还造成2名消防员牺牲、1名员工失踪。随着锂离子电池的应用场景日益扩大，其安全性在工业界和学术界均引发了广泛的讨论和研究。图1 锂离子电池近年引起的安全事故在锂电池发展的早期阶段，产业界和学术界更关注锂电池发生安全性事故的本质原因，基于长期的认识积累，锂电池发生安全事故的本质可以总结为：电池在过充、过热、撞击、短路等异常使用条件下温度异常升高，引发内部一系列化学反应，引起电池胀气、冒烟、安全阀打开，同时这些反应会大量释放热量使整个电池温度进一步升高，最终各个化学反应剧烈发生，电池温度不可控地迅速上升，引起燃烧或爆炸，导致严重的安全事故，这一过程也被称为电池的“热失控”。电池从异常升温到热失控过程中存在多个重要的化学反应，它们与温度的对应关系如图2所示。图2 锂离子电池热失控的诱发机制随着锂离子电池的广泛应用，关于锂离子电池安全性的研究逐渐深入，从早期简单的描述现象和定性预测，发展为在多个尺度、采用多种手段研究安全性机理，基于精准测量和数值化模型准确预测电池安全性表现，最终提出应用化解决方案的综合性研究策略。如图3所示，目前对于电池安全性的研究一般从理解锂离子电池电芯的热行为出发，包括利用各类滥用条件测试确定电池的安全使用极限和失效表现，利用绝热量热等手段具体分析电池的热失控行为和特征温度，以及利用热失控数值模拟方法模拟电池的热失控表现；在认识电芯热行为的基础上，需要深入材料本质，利用热分析、物质结构和化学成分分析、理论计算等方法理解电芯发生热失控在材料层面的反应机制，从而为设计制造高安全性的电池提供基础理论的指导；此外，电芯作为电池系统的基础，其热失控行为的精准测量和准确模拟也为在系统层面设计更高安全性的电池系统和管理预警方案提供了理论指导。本文从材料热稳定性、电芯热安全性和大型电池系统热安全性三个尺度介绍安全性研究策略，着重介绍几种实验和模拟方法。基于商用体系锂离子电池的研究策略和成果，进一步探讨了这些方法对于产学研各界研发下一代锂电池所具有的重要意义。图3 锂离子电池安全性研究策略1 材料热稳定性研究锂离子电池发生热失控的根本原因是电池中的材料在特定条件下不稳定，从而发生不可控的放热反应。目前商业化使用的电池材料中，与安全性关系最密切的主要是充电态(脱锂态)过渡金属氧化物正极、充电态(嵌锂态)石墨负极、碳酸酯类电解液和隔膜，其中前三者在高温下均不稳定且会发生相互作用，在短时间内释放大量的热量，而现行常用的聚合物隔膜则会在140～150 ℃熔融皱缩，导致电池中的正负极直接接触，以内短路的形式快速放热。研究人员自20世纪末开始进行了大量材料热稳定性的研究工作，发展了以热分析认识材料热行为，结合形貌、结构、元素成分和价态表征综合研究内在机理的研究方法。近年来计算材料学的发展也为从原子尺度模拟预测材料的稳定性提供了新的方法和手段。1.1 热分析方法热分析是最直接和直观认识材料热行为的方法，指在一定程序控温(和一定气氛)下，测量物质的某种物理性质与温度或时间关系的一类技术。对于电池材料来说，一般关注其质量、成分、吸放热行为随温度的变化关系。质量与温度的关系可通过热重分析获得，吸放热与温度的关系可通过差示扫描量热法获得，TG和DSC可以设计在同一台仪器中同步测试，该种方法又被称为同步热分析。TG、DSC、STA等仪器通常采用线性升温程序，通过热天平、热流传感器等记录样品的质量、吸放热变化，由于发展时间较早，测试技术和设备工程化水平较为成熟，已成为认识材料稳定性最重要的测试手段之一。基于热分析结果可以确定材料发生相变、分解或化学反应的起始温度、反应量和放热量，但在锂离子电池中，往往更关心充电态材料在电解液环境下的稳定性和反应热。良好的热稳定性是电池材料进入应用的必要条件，而产热量和产热速度则影响电池热失控的剧烈程度。用于常规热分析样品的坩埚一般为敞口氧化铝材质或开孔的铝金属材质，为了研究材料在易挥发电解液中的热表现，需要使用自制或设备厂商专门提供的密封容器。Maleki等通过STA系统研究了钴酸锂/石墨圆柱电池中各种材料的热分解行为，由于电解液采用高沸点的EC溶剂，所以仅在敞口容器中便可以测试，研究发现全电池截止电压4.15 V时，脱锂态钴酸锂在178 ℃发生分解，产生的氧气和电解液反应释放大量热量，释放的能量达到407 J/g，嵌锂态负极的SEI会优先分解，温度在125 ℃之前，之后会出现持续的放热反应，释放能量为697 J/g，而当负极发生析锂后释放能量会上升到827 J/g，这一结论有力支持了近年来析锂电池安全性下降的报道。Yamada等利用DSC确认了充电态磷酸铁锂(LiFePO4)的稳定性很好，与电解液的反应温度大于250 ℃，放热量仅为147 J/g，显著低于层状氧化物材料。Noh等利用密封容器系统研究了不同Ni含量的三元正极材料Li(NixCoyMnz)O2，比较热分析结果发现脱锂态三元材料的热稳定性与Ni含量呈现负相关性，且在x0.6之后加速下降。材料经过改性后，其稳定性需要通过热分析进行确认，研究人员基于DSC发现核壳浓度、包覆等方法均能不同程度地提高正极材料的热稳定性。需要注意的是，热分析的数据质量与实验条件、样品制备方法密切相关，目前并没有严格一致的测试规范，文献中不同单位之间的测试结果横向对比性很差，很多电池材料的热稳定性尚缺乏准确定量的结论。除了DSC、TG外，还有一类特殊的热分析方法是利用加速度量热仪研究反应的起始温度。与常规热分析采用线性升温不同，ARC使用的升温程序是加热-等待-检索模式，即步进式地在每个温度点保持恒温，如果检索程序发现样品的升温速率超过0.02 K/min，则通过同步样品的升温速率保持样品处于绝热状态，从而跟踪样品的自加热升温过程，否则开始加热至下一个温度点进行恒温、检索。不难发现，ARC获取的是样品近似热力学上的失稳温度，由于检测精度高，获得的失稳温度往往比DSC、TG等方法获得的低很多。Dahn课题组基于ARC测试了大量材料-电解液体系的反应起始温度，基本均低于DSC数据中的放热主峰。事实上，Wang等在低升温速率的DSC测试中也发现充电态材料与电解液的放热起始点远早于剧烈的放热峰。这些信息表明材料失稳到完全失控的过程并不是突变式的，整个体系动态演变的过程仍然缺乏深入的研究认识。图4 (a) DSC基本原理；(b) 脱锂态正极-电解液的DSC测试结果1.2 物相分析技术电池材料在升温过程中发生相变和化学反应，其形貌、结构、成分和元素价态都有可能发生变化，这些变化需要基于对应的方法进行表征分析，如利用扫描电子显微镜观察材料热分解前后的形貌变化，利用X射线衍射和光谱学研究材料结构和元素价态演变。由于材料热分解和热反应存在显著的动力学效应，在加热过程中原位测试可以最大程度地还原物相变化的真实过程。目前较为成熟的原位表征技术主要有两类：一类是与热分析仪器串联使用的质谱、红外光谱等，可以实时监测物质分解产生的气体类型，判断材料加热过程中化学组成的变化；另一类是原位X射线衍射技术，通过特制的样品台，可以在升温过程中实时、原位测定材料的结构变化，目前全球多数同步辐射光源和一些实验室级的X射线衍射仪上都可以实现原位变温XRD测试。Nam等利用变温XRD发现脱锂态LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2结构在350 ℃向尖晶石转变，而加入电解液后该转变温度会下降至304 ℃。Yoon等在LiNi0.8Co0.2O2中发现了类似的规律，并发现MgO包覆可以改善脱锂态正极在电解液中的相变。图5展示了变温XRD和MS的联用技术，系统研究了不同Ni含量的脱锂态NCM三元正极在升温过程中的结构和成分变化，研究发现三元正极失稳释放氧气的过程与结构在高温下转化为尖晶石相的行为直接对应，且这一过程的起始温度随镍含量的上升显著下降，NCM523的起始相变温度约为240 ℃，NCM811则小于150 ℃，从体相结构的本征变化解释了高镍正极在电池应用中热安全性差的原因。以上工作都是基于同步辐射光源实现的，由于同步辐射提供的光源质量高、扫谱速度快，更适用于研究与时间相关的动力学问题。除此之外，近年来基于X射线谱学以及拉曼光谱实现同步表征的方法均有所发展。结合通过热分析手段观察得到的材料热行为信息，并对升温过程中材料物相变化的研究，可以更深刻地理解材料演变以及电池体系热失稳的动力学过程，为材料的安全性改良提供理论指导。图5 基于原位XRD和质谱对镍钴锰酸锂结构稳定性的研究1.3 计算材料学基于材料原子结构计算预测材料的全部性质是计算材料学家的终极追求。材料的热力学稳定性可以基于密度泛函理论计算。DFT中判断材料稳定性的依据是反应前后的能量差ΔE是否小于0，如果ΔE小于0，反应能发生，则反应物不稳定，反之同理。Ceder等在1998年就计算了LiCoO2脱锂过程结构相变的过程，计算结果与实验结果吻合良好。然而目前大多数热力学计算不考虑温度效应，且热力学只能作为反应进行方向的判据，无法预测反应速率等动力学问题，考虑温度和动力学计算则需要使用成本较高的分子动力学、蒙特卡洛或者过渡态搜索方法。相对于材料本身的稳定性，计算材料学对于计算预测两种材料间的界面稳定性存在一定优势。Ceder等计算了不同正极和固态电解质之间的稳定性，为选取界面包覆的材料提供理论指导。Cheng等利用AIMD模拟Li6PS5Cl|Li界面，发现界面副反应会持续发生，材料界面之间的副反应是自发发生的，与通常认为的界面钝化效应有所差异。此外，正极材料中的相变析氧、过渡金属迁移等问题的计算模拟也都处于初期开发阶段，仍需持续探索。总的来说，目前阶段材料层级的理论模拟技术与实验技术的差距仍然较远，需要研究人员的持续努力。2 电芯热安全性研究电芯指电池单体，是将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置，通常包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子。电芯的热安全性特征是电池工业界最关注的内容之一，它是电池材料热稳定性的集中表现，也是制定规模化电池系统安全预警和防护策略的基础。由于电芯内部具有一定的结构，其安全性会呈现一些在纯材料研究中不被讨论的特点，使得电芯安全性具有更广泛的外延和认识角度。工业上一般通过滥用实验来研究和验证电芯产品的安全性，近年来基于扩展体积加速度量热仪(又称EV-ARC)的安全性测试方法有较快发展，此外电芯安全性模拟方法也从早期的定性分析发展到可以准确仿真预测热失控进展的水平。2.1 滥用测试国际电工委员会(IEC)、保险商实验室(UL)和日本蓄电池协会(JSBA)最初定义了消费电子产品电芯的滥用测试，模拟电芯工作可能遇到的极端条件，通常分为热滥用、电滥用和机械滥用。常见的热滥用为热箱实验，电滥用包括过充电和外部短路实验，机械滥用包括针刺、挤压、冲击和振动等。企业和行业标准一般将电池对滥用测试的响应描述为无变化、泄漏、燃烧、爆炸等，也可基于附加的传感器和检测系统记录温度、气体、电压对滥用的响应。电芯通过滥用测试的标准是不燃烧、不爆炸。锂电池应用早期研究人员大量研究了电池对各类滥用测试的响应与使用条件、材料体系、充电电量等的影响，提出了各类滥用机制引发电池热失控的机理。滥用测试中最难通过的项目是针刺测试，近年来关于针刺测试的存废引起了较大争议，但提高电芯的针刺通过率仍是锂电池安全性研究的重要课题之一。由于滥用测试针对的是商用成品电芯和贴近真实的使用条件，目前更多作为电池行业的安全测试标准而非研究手段。2.2 EV-ARC测试早期的ARC只适用于研究少量材料样品的热失控行为，Feng等发展了利用EV-ARC研究大体积电芯绝热热失控行为的方法，研究的方法原理和结论如图6所示，由于EV-ARC的加热腔更大，所以需要更精准的控温技术和更严格的校准方案。基于EV-ARC测试可以定量标定出电芯热失控的特征温度T1、T2和T3，分别对应电芯自放热起始温度、电芯热失控起始温度和电芯最高温度，为评价电芯安全性提供了更精确定量的评价指标，标准化的测试条件可以帮助建立统一可靠的电芯热失控行为数据库，分析了不同体系电芯的热失控机理。Feng等利用EV-ARC首次提出正负极之间的化学串扰会引起电芯在不发生大规模内短路的情况下热失控，说明脱锂正极释氧是现阶段影响电芯安全性的关键因素。Li等研究快充后的电芯发现快充析锂导致T1大幅下降，说明析锂同样是电芯安全监测中需要重点关注的问题。以上这些问题都是在常规的滥用测试中难以定量验证的。图6 基于EV-ARC对电芯热失控的研究相比于普通的加热滥用实验，EV-ARC实验环境的温度由程序精确控制，获得的测试结果重复性更好、数据可解读性更高，近年来已成为评价和研究电芯安全性的重要手段。然而EV-ARC模拟的绝热热失控环境与真实的电池滥用工况仍有所差异，评价电芯的实际安全性仍需大量模拟真实严苛工况的测试手段。2.3 高速成像技术为了更直观地理解热失控过程中电池内部物质、结构的演化，研究人员发展了结合红外测温以及原位针刺等辅助功能的透射X射线显微方法如图7(a)～(c)所示。由于热失控往往是在极短的时间内发生剧烈的反应，同时伴随剧烈的物相、结构变化。这一特点给TXM表征方法提出了相当高的时间分辨率的要求。实验室X光源能够发射出的X射线光电子数量有限，采集一组TXM影像数据需要较长的时间。为了观察剧烈变化的热失控过程，Finegan等在欧洲同步辐射实验室(ESRF)使用同步辐射光源将TXM的曝光时间降低至44 μs，配合针内预埋的热电偶温度传感器，实现了对针刺发生时电池内部形貌与刺入点温度的同步监控。该团队利用这种手段研究了刺针纵向与径向刺入18650商业圆柱电池时电池内部热失控行为的差异。Yokoshima等采用实验室光源进行连续实时的透射X射线照相技术，也得到了软包电池在针刺过程中结构随时间变化的一组透射投影图。该方法以4 ms的时间分辨率较为清晰地观察到了针刺入软包电池后电池内部每一层材料的形变过程，以及针刺深度与热失控程度的对应关系。图7 基于X射线成像技术对电芯热失控的研究由于透射投影图只能反映某一方向上二维的信息，如果要对真实三维空间中物质的分布做精确地定量，需要借助计算机成像技术。如图7(d)所示，Finegan等利用同步辐射光源X射线高亮度的特征，在欧洲同步辐射装置(ESRF)的线站上搭建了一套集合原位红外加热、红外测温与高速CT的装置。使用红外加热，实现在线的18650电池升温，同时进行连续的X射线CT成像。连续扫描的TXM投影图能够反映极高时间分辨率的热失控电池内部情形。基于每500张TXM重构得到1个X射线CT结果能够达到2.5帧每秒，实现了一定时间分辨率的电池内部空间分布成像。通过CT结果能够清晰地看到热失控过程中各个阶段的电池材料变化，如电极活性物质层破损、铜集流体融化再团聚等。结合TXM技术获得的投影图和高速X射线CT结果，可以清晰认识热失控过程中电池内部不同位置各个材料的反应、产气、结构破坏等失效行为。另一方面，配合诸如针刺、红外加热、挤压、拉伸等原位实验，可以帮助研究与理解电池的各类宏观失效行为。2.4 电芯热失控数值模拟电芯安全测试的维度广、涉及的测试项目多，通过实验评价电芯安全性需要大量样品和时间成本。同时，产品级电芯的研发周期长、成本高，安全性评估往往处于电芯研发周期的后端。通过数值模拟方法预测电芯安全性测试表现可以大幅度降低实验成本，且在产品研发的前期便对体系的安全性做出判断，大大提高研发效率。电芯热失控数值模型的核心是准确描述电芯热失控过程中的化学反应及吸放热量，从而基于能量守恒模拟电池温度在不同条件下的动态变化。化学反应的吸放热一般通过Arrhenius公式描述 (1)式中，图片指反应的产热量；图片为反应物的质量；图片为反应单位质量的吸放热；α为反应的归一化反应量；图片为机理函数；图片为反应的指前因子；图片为反应活化能。通过热分析实验可以测定求解以上参数，这也是热分析动力学的基本问题。电芯升温过程中内部会发生多个反应，它们对电芯升温的贡献可以看作线性叠加，通过准确描述所有反应即能较为精准地预测电芯在不同条件下的温度变化行为 (2)上述方程中，图片为电芯密度；图片为等压比热容；图片、图片、图片为电芯中沿各个方向的热导率；图片为对所有化学反应的产热速率求和；图片为电池与环境换热所引起的能量变化。预测温度变化需要求解二阶含时偏微分方程，如果认为电池中的反应和空间无关，电芯温度均匀上升且电芯体系与外界无热交换，也可简化为一阶微分方程 (3)基于该理论，Hatchard等将电池中主要的化学反应总结为SEI分解、负极-电解液反应、正极-电解液反应、电解液分解反应，计算了方形和圆柱电芯在热箱中的热行为。Spotnitz等总结了早期文献中的反应动力学参数，并基于均一电芯模型系统预测了不同材料体系的电芯在各类滥用测试中的表现。通过理论模拟，可以仅基于少量小规模实验数据对实际电芯的安全性表现进行系统预测。Feng等、Ren等基于热分析动力学和非线性优化算法重新标定了电池中关键反应的动力学参数并进行了更准确的热失控模拟，他们的模型利用DSC测试获得的参数准确预测了电池在ARC中的热失控表现，可以进一步用于预测热箱、短路等条件下的安全性。需要指出的是，不同材料体系、配方和工艺的电芯中涉及的反应机制和动力学可能存在差异，如近年来电芯内短路、正极-电解液反应和正负极化学串扰三者是否均在热失控过程中主导发生的问题引起了广泛争论，安全性的数学模拟并非空中楼阁，而是建立在具体实验和对电池内部化学反应深刻理解的基础上。由于算力的限制，早期的安全性仿真工作大多不考虑温度空间分布或只计算一维分布，而空间分布在大容量电池和真实工况中是不可忽略的，Kim等、Guo等较早提出了描述热失控温度分布的三维电池模型。近年来数值计算方法的发展和商业计算软件的成熟大幅降低了安全性模拟仿真的难度，Feng等利用商业化的有限元计算软件Comsol Multiphysics建立了大容量三元方形锂离子电芯的热失控仿真模型，可以模拟电芯在短路状态下热失控过程和温度的分布，与实测有较好地拟合结果。除了电芯的热行为，电滥用和力学失效对安全性也存在一定的影响，目前，通过构建电-热耦合模型研究电池非等温电化学性能和短路热失效表现的方法目前已较成熟[59-60]，而力学失效如碰撞、针刺等引起热失控的数值模型仍需要持续地开发。3 系统热安全性研究电池系统的安全性是目前锂电池应用面临的最直接问题，其研究重点是系统中热失控的扩展规律与抑制、预警措施。目前商品化电芯的热失控无法完全避免，在系统层面防止热失控扩展是可能的安全性解决方案。在系统层级开展实验研究的成本较高，但难以避免，在模拟仿真的辅助下可以提前预测优化系统设计，降低实验成本。3.1 热失控扩展和火灾危险性测试电池系统热扩展的实验研究成本和危险性较高，主要方法是通过加热、过充、针刺等方式诱发电芯单体的热失控，并利用接触式热电耦、红外测温等手段研究温度在系统中的分布和变化，这种方式只能获得局部多点的热失控信息。Wang团队在国内首次开发了全尺寸锂离子电池火灾危险性测试平台，用来测量大尺寸动力电池及电池组的燃烧特性，除了可以获得电池温度变化外，还可以获得电池组失控过程中的质量变化、火焰温度等信息，同时基于锥形火焰量热等技术可以测定大型电池系统宏观燃烧所释放的能量。与电芯EV-ARC等方法获得的信息不同，在真实环境下实验得到的电池系统燃烧行为往往更加复杂，包含多个加速失重和喷射火焰的阶段。通过以上测试可以在实用层面评价大型电池组的安全性和失控风险，为安全性改良、预警、消防和灾害处置提供重要信息。3.2 灾害气体研究和预警方案设计电池实际使用和安全失效的过程中，气体的成分与生成规律是重要的研究课题，与电池热失控早期预警、爆炸、火灾蔓延等表现密切相关。从材料本质上看，电池中的有机电解液在高温下气化、活性组分高温副反应均会释放气体，加热条件下产生的混合气体可以通过气相色谱-质谱联用技术、傅里叶变换红外光谱等手段分析成分。目前这些气体检测技术已较为成熟，但在安全性研究过程中，气体的收集和定量仍需要特制的容器或取样器辅助实现。一般来说，电池热失效气体组分中除了惰性的CO2外还包括大量未完全反应的电解液溶剂、CO、H2和有机小分子，兼具可燃性和生物毒性，Ahmed等发现可燃气体的释放是加剧锂电池系统热失控扩散、诱发大规模火灾事故的重要原因。由于气体的扩散速度快，检测手段较成熟，气体监测有望成为电池系统安全预警的关键手段，Cui等利用同位素标记-质谱技术发现充电态电池在加热失控的早期负极的SEI分解会产生H2，促进电池的热失控。Jin等发展了一种通过小型MS监测H2实现模组过充热失控早期预警的手段，在8.8 kWh的磷酸铁锂-石墨电池包中进行了实验验证，发现可以在产生烟雾的10分钟之前发出安全预警。3.3 系统安全性模拟仿真相对于实验研究，模拟仿真消耗的实物资源少，在系统安全性研究中更具优势。系统热安全模拟一般建立在完备准确的电芯热失控数值模型的基础上，在由多个电芯单体构成的复杂电池系统中，每个单体内部温度均独立地遵循前文所述的电芯热失控模型，电芯之间交换热量通过热传导、对流和辐射形式进行，可以分别通过相应的公式进行描述，电芯热失控产热方程和传热方程共同构成了描述整个系统空间的温度场的数学模型。通过求解建立的数学模型，研究人员和工程师可以研究系统大小、空间布局、热管理模式等对电池系统稳定性、安全极限温度、热失控扩散表现等的影响。由于电池系统的结构往往较复杂，系统热安全模型往往需要在成熟的商业模拟仿真软件中进行，常用的软件平台有Comsol Multiphysics、ANSYS、Siemens Star-ccm+等。Feng等利用Comsol Multiphysics构建了由6个标准方形电芯组成的小型模组的热失控规律，研究了不同参数对热失控扩展的影响，提出了4 种抑制热失控扩展的方案，并对增加隔热层的方案进行了实验验证。Zhai等提出了18650锂离子电池模组热失控传播的多米诺预测模型，在Matlab中构建了较为简化的二维模型，预测模组中热失控传播的路径和概率，解释了模组中不同热失控初始位置对热失控传播行为的影响。目前学术界关于大型电池系统热安全性的研究仍然较少，作为一个工业界和学术界共同关心的问题，系统层级的安全性研究需要产学研的深入合作。4 下一代锂电池的安全性研究电池安全的预防、预警、预测依赖对从系统到电芯再到材料热失控构效关系的深刻理解。纵观近年来引起广泛关注的锂电池起火事件，大部分发生在新技术和新材料的初步应用阶段，如近几年多起采用高镍三元电池的电动汽车起火事件，而当大量事故引起广泛关注后，关于该电池体系的安全性研究才随之增多，电池安全研究于电池电化学性能研究的滞后性是电池安全研究中的一个鲜明特点。为了满足电动化浪潮带来的高安全、高能量密度要求，人们期望在锂离子电池中采用不可燃电解质或固态电解质，以彻底解决电池的安全性问题同时达到高能量密度。然而，电池安全性不仅与电池内部材料本身的热稳定性相关，还与材料之间的相互作用、电池内部的复杂环境息息相关。近期中国科学院物理研究所Chen等的工作显示，即使是采用了具有高热稳定性的固态电解质，在与金属锂接触的情况下，高温依然会发生热失控，且金属锂会受到温度的驱动，向固态电解质内部生长，进一步降低热失控的临界温度。清华大学Hou等报道了采用不可燃新型电解液的电池，由于锂盐和嵌锂态负极的剧烈反应，电池在高温下依然会发生热失控。这些结果说明，单维度提升锂电池安全性的设想往往是片面的，新体系的引入很有可能导致电池热失控反应链条的重构，从而使原本的安全预防预警措施不再生效，也很可能是新型锂电池体系容易出现安全事故的深层次原因之一。综上所述，为了在发展高能量密度电池的同时保证电池的安全性，研究者们需要在优化电芯电化学性能的同时，尽快同步地开展前瞻性电池安全性验证和研究。只有清晰全面地认识电池热失效机制和各个维度安全性的影响因素，才能在应用阶段做好电池的有效安全预防。图8给出了电池领域新材料和新技术从基础研究到规模量产的技术成熟周期。可以看出，一个新型技术的大规模应用需要投入巨额的人力物力，花费数十年的时间，才能真正实现量产。然而，电池的安全性验证却往往在电池接近量产的阶段才展开，且往往以通过电池安全测试标准为目的，无法系统深入地了解电池在全生命周期、实际复杂工况下的安全行为和内在机理，为日后的安全事故埋下隐患。对于早期的电池体系，由于能量密度不高，安全性问题并不突出，而最新的锂离子电池电芯能量密度已经可以达到300 Wh/kg以上，产学界广泛关注的锂电池新技术和新体系能量密度更高。这些具有高能量密度特性的新技术和新体系面临着更为严峻的安全性挑战，因此，将电池的安全性研究和验证步骤尽可能提前，在基本确定电芯结构后尽可能早地开展电池安全测试与机理研究工作，才有望在真实量产阶段前期就做好准备，摸清其安全性特征与行为，设计好对应的防护、预警措施。图8 电池领域新技术的成熟周期与高能量密度新体系的安全性研究目前，下一代化学储能电池的材料体系尚未有定论，可能用于新一代锂离子电池的新材料包括富锂材料、无锂高容量正极材料、硅基负极材料、锂金属负极材料、固态电解质等，如果考虑使用锂金属负极，锂电池概念的外延还可进一步扩展。然而从学术报道来看，与新材料热行为和新体系实用安全性相关的内容却鲜有报道，目前对绝大部分新型锂电池体系的安全性认知尚处于未知或初期阶段。本文所综述的研究方法既可以用于研究现有商业化锂离子电池的安全性，也可以从材料层级提前理解新型锂电池材料体系的热稳定性，并基于模拟仿真方法预测其电芯和系统的安全性，这对选定下一代锂电池的技术路线，保障高能量密度锂电池新技术平稳落地，具有重要指导意义。

近期，江西一位老客户再次购买上海禾工AKF-BT2015C锂电池专用水分测定仪，该公司主要研发、生产、销售锂电池正负极材料、电解液、隔膜纸等；是一家大型新能源汽车电池、模块及系统开发的高科技企业。 2016年的2月禾工与江西这位锂电池客户结缘，他们当时购买了一套禾工AKF-BT2015C锂电池专用水分测定仪用于公司锂电池原料的生产线上，在使用5个月的时间，仪器运行状态良好，检测精度高，稳定可靠，故障低，操作极为简便等优势得到了用户的肯定。 因公司业务发展需要，在2016年上半年首次购买我们AKF-BT2015C锂电池专用水分测定仪之后至今年3月份总共购买仪器五台，老客户是我公司及其重要的经营资源，能够吸引到老客户的只能是高性价比的产品质量和及时到位的售后服务。 AKF-BT2015C作为一台国内第一台带有卡式加热炉的卡尔费休水分测定仪，至2016年8月低，短短两年内，AKF-BT2015C锂电池水分测定仪在锂电新能源行业创造了累计销售数量过百！客户二次购买率超过60%！锂电市场占有率40%，国产设备占有率100%的非凡销售业绩。完全可替代进口仪器设备。 AKF-BT2015C水分仪能够广泛的应用在锂离子动力电池行业正负极材料及其原材料，电解液等，包括磷酸铁锂材料、磷酸铁、钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料，负极膜片，石墨粉等，同时适用其他不溶解固体材料的测量。 相信在今后，禾工AKF-BT2015C水分仪会应用到更多的锂电池研发、生产单位。

锂离子电池具有质量轻、寿命长、能量密度大且无记忆效应等诸多优点。锂电池中镍钴锰含量的高低对于电池的性能有直接的影响，因此准确的测定其含量具有重要意义。 根据YST 1006.1-2014，锂离子电池正极材料镍钴锰酸锂中镍钴锰总量的测定方法为：试料用盐酸溶解，在pH值9-10碱性溶液中以紫脲酸胺为指示剂，用EDTA标准滴定溶液滴定至紫红色为终点。根据消耗的EDTA标准滴定溶液的体积计算镍钴锰总量。 主要步骤为：将试料0.1g试样放人100mL烧杯中，用瓶口分液器加人25mL盐酸(1+1)，于低温电热板上加热至完全溶解，冷却后移入100mL容量瓶中，加水稀释至刻度，混匀。移取25mL试液于250mL三角瓶中，加入约50mL水，用瓶口分液器加入10mL氨水-氯化铵缓冲溶液和约0.1g紫脲酸胺指示剂，用EDTA标准滴定溶液乙二胺四乙酸二钠滴定至紫红色。按下式的实际浓度： 当三个滴定体积极差在0.10mL范围内时，取三个标定结果的平均值，否则重新标定。滴定法一般使用的是玻璃滴定管，对试验人员的技术水平、实操经验和耐心的要求较高，有灌液慢、控速难，读数乱（不同人次、位置的凹液面读数可能出现偏差）三大痛点。赫施曼的光能滴定器可抽提加液、手转控制滴定速度、光能板供电无需电池；赫施曼的opus电子滴定器可通过触屏来进行灌液、预滴定、快速滴定和半滴滴定等功能。这两种滴定器均为屏幕直接读数，可连接电脑输出数据，针对性解决了三大痛点，可提高工作效率、降低目视误差，无需大量实操经验，降低了培训成本和人员个体差异，所得数据也更加准确、稳定。

随着技术的不断革新，锂电池正在逐渐朝着小型轻量化，大容量化，长寿命化发展，对于锂电池的安全性能有了更高的要求，锂电池中每种材料的主成分、添加物和杂质都会影响其安全性和性能，因此需要高精度“定量分析各材料中的锂元素”、“测定正极活性物质中的组成元素摩尔比”、“测定有机溶剂-电解液中分离出的异物”等。ICP等离子体发射光谱法适合多元素分析，但不适用碱金属和有机溶剂分析，这种方法对某些元素的检测灵敏度低。而且使用成本较高。日立偏振塞曼原子吸收分光光度计可以高精度定量分析碱金属-锂元素，并且可以稳定测定正极材料中组成元素的摩尔比，其精度低于1％。此外，还可以轻松测定有机溶剂-电解液中含有的异物，石墨炉法比ICP等离子体发射光谱法的检测灵敏度更高。 ■ 分析实例对钴酸锂中的锂元素和钴元素进行定量分析，最终得到两种元素的摩尔比基本为其理想摩尔比1：1，其精度低于1％。采用日立偏振塞曼原子吸收分光光度计可以高精度地测定正极材料中组成元素的摩尔比。从电解液结果可知，分别使用火焰法测定电解液中钠元素，石墨炉法测定电解液中钾元素，可得到准确地测定结果，并且石墨炉法测定钾元素灵敏度高，可轻松实现ppb级别测定。采用日立偏振塞曼原子吸收分光光度计可以准确高灵敏度测定有机溶剂-电解液中含有的异物。 关于日立偏振塞曼原子吸收分光光度计ZA3000系列热分析仪详情，请见： https://www.instrument.com.cn/netshow/SH102446/C170248.htm关于日立高新技术公司：日立高新技术公司，于2013年1月，融合了X射线和热分析等核心技术，成立了日立高新技术科学。以“光”“电子线”“X射线”“热”分析为核心技术，精工电子将本公司的全部股份转让给了株式会社日立高新，因此公司变为日立高新的子公司，同时公司名称变更为株式会社日立高新技术科学，扩大了科学计测仪器领域的解决方案。日立高新技术集团产品涵盖半导体制造、生命科学、电子零配件、液晶制造及工业电子材料，产品线更丰富的日立高新技术集团，将继续引领科学领域的核心技术。

在锂离子电池中，过渡族金属化合物材料反常的超出理论限的额外容量现象引发了人们的广泛关注。为了揭示这一关键科学问题，多位国际能源领域权威专家都对该现象提出了不同的理论解释，如电表面电解质衍生层的形成与分解、含锂物质的氧化反应、空间电荷存储等。然而由于电材料界面处的复杂性超出常规设备的测试能力，其蕴藏的储能机制始终处于争议中。近期，青岛大学物理科学学院李强、李洪森教授与加拿大滑铁卢大学苗国兴教授、美国得克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授等人通力合作，利用自主构建的原位磁性监测技术（如图1所示），结合自旋电子学理论揭示了过渡族金属化合物Fe3O4的额外容量主要来源于过渡族金属Fe纳米颗粒表面的自旋化电容，并证明这种空间电荷储锂电容广泛存在于各种过渡族金属化合物中，费米面处3d电子高电子态密度发挥了关键作用（如图2所示）。该研究结论突破了人们对传统锂离子电池储能方式（Insertion、Alloying、Conversion）的认知，次在实验上直观地证实了空间电荷存储机制，并进一步明确了电子存储位置。该工作已于近期发表在期刊《Nature Materials》[1]。精彩图文展示：图1 原位观测Fe3O4锂离子电池材料在充放电过程中的磁响应，其中上图为磁化强度变化，下图为恒流充放电曲线。磁性测试出乎意料的发现在于，当电压由0.45 V降低到0.01 V时，电磁化强度缓慢降低直至放电结束。这一发现表明还原产物金属Fe颗粒可以继续参与反应，这与经典的锂电池转化反应相矛盾。有趣的是，随后充电到1.4 V时，体系磁化强度再一次增大。 图2. 自旋化电子在Fe0/Li2O界面的表面电容示意图（EF，费米能）。a、铁磁性金属颗粒表面（放电前后）的自旋化态密度示意图。b、自旋化电容模型中额外存储锂形成的空间电荷区。放电过程中还原出的Fe0纳米颗粒分布在Li2O介质中，具有大的表面/块体比率且费米面处具有高的电子态密度。大量的电子可以存储在Fe0纳米颗粒中的自旋劈裂能带中，从而产生自旋化电容。值得注意的是，本文使用的样品杆是研究人员经过多年努力自主设计的，他们将电化学工作站与综合物性测试系统（PPMS）中的振动样品磁强计选件（VSM）进行了有效结合，成功地构建了锂离子电池原位磁性测试系统来观察锂电池充放电过程中的磁响应。文中所使用的PPMS系统具有高灵敏度磁性测试等优势，可作为研究能源材料原子尺度临近范围内的原子探针，是研究杂质相和局部电子分布的全新“利器”，获取其他传统技术所不能测得的信息。图3 PPMS Dynacool系统示意图 基于该测试系统，本文研究者破解了多年争议，次在实验中揭示了电池容量会超过理论限的关键问题，不仅为设计下一代高性能储能器件提供了新方向，也为能源材料的设计制备提供了一种有力的测试分析技术。在这里我们恭喜我们的PPMS用户取得了新的突破，也祝愿他们科研事业更上一层楼！参考文献：[1] Extra storage capacity in transition metal oxide lithium-ion batteries revealed by in situ magnetometry, Nature Materials, 2020, https://doi.org/10.1038/s41563-020-0756-y

锂电系列 | 热分析在锂电池隔膜测试中的应用近期《经济参考报》发表了《新基建提速带动锂电池产业逆势上扬》的报道。文章称，进入2020年，在促进汽车消费和“新基建”等政策的推动下，国内动力锂电池产业显示出逆势上扬的态势。近日，工信部也召开专题会，研究部署加快5G网络等新型基础设施建设，对锂电池产业发展起到了重要推动作用。由于5G使用更大规模的阵列天线、更高的带宽，能量密度更高的锂电池就成为新基建的必然选择。锂电池市场需求巨大，但行业竞争日趋激烈，行业整合正在持续进行中，已经进入快速洗牌阶段。拥有核心技术和提高产品质量是生产厂家在激烈的竞争中生存的关键。热分析技术可以帮助企业更好地了解电池材料的受热稳定性，提高研发效率和质量控制，下面小梅就以热分析技术对电池隔膜的热力学分析为例进行详细解析。锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜以及集流体、外壳和安全元件等组成。其中电池隔膜起着隔离阴阳极、吸收电解液、同时具备微孔结构并允许某些导电离子和气体顺利通过的作用。锂电池隔膜的质量直接影响到电池的充放电性能、容量和使用寿命。目前，市场上主流的隔膜生产工艺有两种，一种是熔融拉伸法（干法），另外一种是热致相分离法（湿法），且目前主要的隔膜材料都是高分子材料，而电池由于不当使用而导致内部温度剧烈上升会使隔膜孔隙率和收缩率等重要指标发生剧烈改变，因此，在使用过程中，隔膜的热稳定性就显得尤为重要。热分析技术可以检测隔膜的熔融行为、玻璃化转变、热稳定性、失效温度、热收缩率等参数，帮助我们更好的了解隔膜的受热稳定性。用DSC测试隔膜的熔融行为DSC主要是用来测试样品在升降温过程中的热量变化情况，因此用DSC可以很好地测定高分子隔膜的熔融过程，下图是PP隔膜的测试图谱，测试结果显示，一次升温时，由于薄膜状的样品在熔融时易发生卷曲，所以往往在第一次升温曲线上容易出现假象，这对熔融温度的测定可能有一定影响。为了消除热历史对熔融温度测定的影响，我们可以采用二次升温的方式消除热历史，此时测定的熔融温度为样品本身的熔融温度。目前市面上的高分子隔膜大都是PP/PE的复合隔膜，因此，在隔膜的DSC测试中，往往会出现两个熔融峰，下图是PP/PE隔膜的测试图谱，PE和PP的熔融峰分别出现在130℃和166℃。用TGA测试隔膜的热稳定性TGA测试结果可以分析样品在升温过程中的质量变化情况，以此来反映样品的热稳定性，下图是PP隔膜的TGA测试图谱，结果显示，该PP隔膜的热分解温度是437℃，且隔膜的成分较为单一。用TMA测试隔膜的膨胀系数及收缩率高分子隔膜材料在受热时会发生一定量的收缩，这对隔膜的孔隙率会有较大的影响，进而影响锂电池的性能。例如，PE隔膜在90℃条件下等温60min收缩率应小于5%。目前，常见的隔膜收缩率的测试方法为悬挂法，即将一定长度的隔膜悬挂于特定温度的烘箱中，一段时间后拿尺子测量隔膜的尺寸，比较烘烤前后隔膜的尺寸来计算收缩率，这种方法的优点是快速，可大批量测试，但缺点也很明显，测试精度较低，且若收缩率处于临界值时难以判断，因此，使用TMA可很好地测定隔膜的收缩率。下图是PP隔膜在升温过程中的收缩率和膨胀系数的测试图谱，结果显示，PP在加热至175℃时的收缩率达到了60%。同理，也可测试不同类型的隔膜材料在恒定温度下特定时间的收缩率。用DMA测试隔膜的实际失效温度为了提升隔膜材料的耐高温性能和力学性能，目前市面上一般都都采用陶瓷粉末增强PE/PP的方法制备陶瓷隔膜或使用PI增强PE/PP隔膜，若对陶瓷隔膜进行DSC测试，其熔融温度往往与纯 PE/PP隔膜一致，但其实这时陶瓷隔膜往往还能保证一定的形貌及力学强度，并没有失效。此时，采用DSC表征隔膜的失效温度往往是不准确的，而通过DMA可较好地表征隔膜实际失效温度。下图是PE隔膜的DMA测试图谱，结果显示，其失效温度为135℃。★了/解/更/多/应/用 ★想了解梅特勒托利多其它产品在锂电行业的应用信息？您可以点击“阅读原文”查看梅特勒托利多全价值链解决方案。欢迎大家在评论区留言，告诉我们你还想学习哪方面的知识~

本文要点随着科技的进步，3C产品的多元化，集成化，便捷化，产品的体积越来越小，锂电池作为储能设备，不仅用于手持式电器，如手机，电脑，也广泛应用于汽车行业，得益于仅使用电能，几乎不产生CO2，相比传统燃油车具有更好环保效果，因此锂电池成为了当前应用最广泛的储能电池。目前主流的锂电池技术有磷酸铁锂和三元锂电池。其中三元锂电池具有更高的能量密度，更小的重量下具有更高的续航能力。然而三元锂电池相比于磷酸铁锂电池，耐高温性较差，如果电池因外部撞击破坏或内部异常损伤，均可导致电池短路，发生放热现象，更严重的会直接自燃。因此，有关锂电池的安全性，近来成为网上的热点话题，也是很多科学家及企业需要攻克的难题。三元锂电池结构三元锂电池是由正极，负极，隔膜，外包材，电解液等组成的。其中隔膜具有隔离电池正负极，仅让锂离子通过的作用。如果电池内部隔膜发生破坏，就会出现正负极联通导致电池短路放热，引燃电解液的现象发生。一般引起隔膜穿刺现象的原因有外部撞击破坏或内部异物破坏导致的。其中，外部的机械滥用或是电滥用均有可能导致电池热失控而发生意外自燃；内部异物破坏的诱因可能是原材料内部不纯净或工艺问题，而引入一些微米级别金属磁性单质，导致在电池使用过程中出现金属磁性单质刺破隔膜，发生短路现象。因此针对于三元锂电池原材料异物解析，可以采用扫描电镜及能谱异物分析功能，实现对原料或工艺后期引入的异物的自动寻找及分析。日立钨灯丝扫描电镜Flexsem1000 Ⅱ型(左)和场发射扫描电镜SU5000（右）本次测试采用日立钨灯丝扫描电镜Flexsem1000Ⅱ和牛津Aztec Feature软件，对微孔滤膜上的三元正极粉末的生产原料进行大区域自动采集，分析，找出关注颗粒单质Fe，对单质Fe进行统计，给出统计结果，进而评估原料是否合格。在整个测试过程中，设备自身的自动化功能调整，条件的标准化把控以及Feature软件自行检测，记录与统计，大大的降低了人的依赖性。测试特点1、 Flexsem1000Ⅱ可以一键切换高低真空，无论是导电与不导电样品，都无需对样品进行喷金处理而直接测试。2、 Flexsem1000Ⅱ配置了高灵敏5分割BSE探头，可轻松获得高衬度图像；且标配了自动聚焦，自动亮度对比度等自动化功能，快速准确调整电镜图片。3、 使用大面积拼图功能，可以测试整个微孔滤膜上的样品，获得全部颗粒的结果；同时，对每一个测量位置也可以实现追溯，再分析等功能。4、 根据自身需求，自行设置分类异物，在最终结果中得到异物颗粒的某一单一数据或所有异物的数据，如总个数，占比等结果。5、 在测试分析过程中，可实现后期无人监看，电镜自行完成样品台上样品的全部测试并获得最终结果。日立为三元锂电池异物分析提供了扫描电子显微镜及能谱，Feature软件的解决方案，不仅帮助检测原料异物，同时在工艺管控，品控测试环节提供更多的帮助。END公司介绍：日立科学仪器（北京）有限公司是世界500强日立集团旗下日立高新技术有限公司在北京设立的全资子公司。本公司秉承日立集团的使命、价值观和愿景，始终追寻“简化客户的高科技工艺”的企业理念,通过与客户的协同创新，积极为教育、科研、工业等领域的客户需求提供专业和优质的解决方案。 我们的主要产品包括：各类电子显微镜、原子力显微镜等表面科学仪器和前处理设备，以及各类色谱、光谱、电化学等分析仪器。为了更好地服务于中国广大的日立客户，公司目前在北京、上海、广州、西安、成都、武汉、沈阳等十几个主要城市设立有分公司、办事处或联络处等分支机构，直接为客户提供快速便捷的、专业优质的各类相关技术咨询、应用支持和售后技术服务，从而协助我们的客户实现其目标，共创美好未来。

锂离子电池广泛用于手机、相机、玩具等小型电子设备以及混合动力汽车和电动汽车中。锂离子电池由阴极、阳极、隔膜和电解质组成，其中构成阴极和阳极的粉末状材料往往通过粘合剂保持聚集状态。无论是现有锂电池的各部分材料、工作性能，还是新型锂电池的开发，原子力显微镜均深入应用其中。01隔膜材料的工作状态下的孔隙变化目前最常用的隔膜材料是聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）或者两者的混合物。制作工艺有干法和湿法两种，制作过程又包括流延、拉伸、定型等步骤。工艺和过程都会影响隔膜的孔隙孔径、孔隙率等。常用的观测方法是扫描电镜法，但是因为PE、PP都是绝缘材料，会形成严重的荷电效应，导致观察图像失真。因此，原子力显微镜是非常合适的观察工具。对于锂电池隔膜，除了常温下的孔隙结构，还需要测试孔隙在不同温度下的变化。因为当电池体系发生异常时，温度升高，为防止产生危险，隔膜需要实现在快速产热(温度120～140℃)开始时，因热塑性发生熔融，关闭微孔，隔绝正极与负极，防止电解质通过，从而达到遮断电流的目的。岛津原子力显微镜具备完善的环境控制功能。使用样品加热单元从室温梯度加热到125°C和140°C，并观察其表面形状。范围为5μm×5μm。随着温度的升高，可以看到由于隔膜熔化，孔隙逐渐收缩。对于该实验，使用岛津专门设计的环境控制舱既可以在真空环境下进行，也可以完全模拟锂电池内部的温度/湿度/电化学环境进行。02锂电池正极材料工作状态观察为了保证电极具有良好的充放电性能，通常加入一定量的导电剂，在活性材料之间、活性材料与集流体之间起到收集微电流的作用，以减小电极的接触电阻，加速电子的移动速率。锂电池粘结剂是一种将活性材料粘附在集流体上的高分子化合物。专门用于粘结和固定电极活性材料，增强电极活性材料与导电剂以及活性材料与集流体之间的电子接触，更好地稳定极片的结构。另一方面，正极中的三种主要物质的分布状态和工作状态决定了锂电池的充放电性能。最常遇到的不利情况包括不导电的粘结剂对活性材料的包裹导致无法参与反应，活性材料颗粒的碎裂导致隔离于反应体系，粘结剂/导电剂分散不均导致一些区域间隙过大使活性材料隔离于反应体系。在这些情况下活性材料成为死的活性材料，不再参与电极反应。正极中各组分存在状态为了更全面地分析，需要结合多种仪器进行。本实验使用EPMA电子探针微量分析仪(EPMA-8050G)测量正极的元素分布，使用原子力显微镜(SPM-9700HT)观测表面电流分布状态。通过比较EPMA和SPM相同区域图像来评估正极表面各种组分的工作状态。比较EPMA和SPM在相同区域的分析结果。图1至图3示出了EPMA数据，图4至图6示出了SPM数据。在EPMA结果中，图1是成分图像(COMPO)，图2是C和F分析的叠加图像，图3是Mn、Co、Ni和O分析的叠加图像。因为导电剂和粘结剂都含有C，图2中C的位置是导电剂和粘合剂，因为只有粘合剂（PVDF）含有F，因此F的位置是粘合剂。图3中Mn、Co、Ni和O的重叠位置是活性材料。在SPM图像中，图4是SPM获得的表面形貌图像，图5是低偏压激励下小电流分布图像，图6是高偏压激励下大电流分布图像。结合图4和图2，对比可知道活性材料的分布与形貌；结合图2，可认为图5中电流区域为导电剂；同时对比图5和图6，从图5中扣除图6的大电流区域，可认为其他小电流区域为活性材料，即活性材料A区域。但是结合图5和图3，可发现有些活性材料在偏压激励下并没有电荷移动（形成电流），因此可判断，未形成电流的活性材料可能是被不导电的粘合剂包裹，或者因破碎和间隙被隔离于反应体系，无法参与充放电，即活性材料B区域。由此实验可见，对于锂电池的研究，结合元素分析工具（EPMA）和电流分析工具（SPM），既可以了解到各种组分的分布，还可以深度了解各个部分的工作状态及可能的失效原因，为深入理解锂电池的工作原理与过程提供可行实验方案。03新型负极材料的开发最常用的负极材料是石墨，但近年来硅(Si) 因其理论容量高于石墨而被视为下一代负极材料。但是由于Si负极材料在充放电过程中随着Li离子的进出而显着膨胀和收缩，因此Si材料的短板是容易破裂且寿命短。为了弥补这个问题，需要选择合适的硬粘合剂以牢固地粘合Si材料。我们设置了两种环境观察Si负极材料的不同，一种是现实中锂电池使用的电解液，另一种是N2气体环境。样品由附着在玻璃基板上的三种聚丙烯酸粘合剂(1)、(2)和(3)组成。在电解液环境为(A)，N2气环境为(B)中进行观察。(A)将样品在含有1mol/LLiPF6的碳酸二甲酯(DMC)和碳酸亚乙酯(EC)的混合溶液中浸泡24小时。24小时后进行观察，同时样品仍浸入电解液中。(B)将上述样品置于密闭环境控制室中，用N2置换室内气氛后，在N2气体中进行观察。实验结果如上图所示。(A)在电解液中的样品(1)上观察到约10nm的突起，而样品(2)和(3)都是平坦的。该结果表明样品（粘合剂）（2）和（3）均匀分布在电解液中。(B)在N2气体中观察时，样品(1)和(2)是平坦的，但在样品(3)上观察到20nm的突起。该结果不同于在电解质中观察到的结果，并证明了在实际用例环境中进行测量的重要性。04固态锂电池开发研究目前的锂离子电池内部使用有机溶剂电解液，在制作、运输、使用过程中电解液可能泄漏，从而造成燃爆事故。而固态电池是采用固态电解质的锂离子电池，不含有任何液体。相比传统的液态锂离子电池，固态电池首先安全性能高，固体电解质取代可燃的液体电解质，有望克服锂枝晶的产生；其次能量密度高，负极可采用锂金属负极，极大提高能量密度；再次循环寿命长，可避免液体电解质再充放电过程中持续形成和生长固体电解质界面膜，理论上循环寿命可提高10倍以上；此外，固态电池电化学窗口宽达5V，高于液态锂离子电池的4.25V，适用于高电压正极材料；最后，固态电池无废液，处理相对简单，回收更加方便。当然，固态电池技术也存在一些很棘手的问题。粉体颗粒在电池充放电循环中会发生体积膨胀与收缩，由于不含有液体，因此颗粒与颗粒之间、层与层之间容易产生缝隙，带来接触不良，影响离子和电子的传输，电池内阻就会增加，在充放电过程中就会发生极化问题，导致倍率性能下降。因此，对固态电池的测试，除了要观察其形貌外，更重要的是获得表面形貌与其导电性之间的联系，分析不同形态与聚集状态对其工作状态的影响。为此，设定实验对两种固态电池材料进行分析，分别是钴酸锂（LiCoO2:以下称为LCO）和钛酸（Li4Ti5O12:以下称为LTO）。为了模拟固态电池内部工作环境，使用环境控制舱调节气氛，氧气0.7ppm或更少，水蒸气0.75ppm或更少。30微米范围内LCO形貌图像与电流分布图像30微米范围内LTO形貌图像与电流分布图像30微米LCO形貌图像和30微米LTO形貌图像均显示出2μm左右的高度差，并且表面粗糙度(Sa)分析显示，二者分别为341.5nm和333.6nm，非常相近。在LCO中还发现了几个缺口。相比之下，在LTO中没有发现间隙，表面较为完整。在30微米LCO电流分布图像中，表面电流分布不均匀，在41.7%的面积上检测到电流（使用颗粒分析软件分析）。在30微米LTO电流分布图像中，没有检测到电流，可能的原因是在未充电状态下LTO具备高电阻特性。5微米范围内LCO形貌图像、电流分布图像、粘性力分布图像5微米范围内LTO形貌图像、电流分布图像、粘性力分布图像5微米LCO形貌图像显示该电极材料中的晶粒尺寸约为2-5微米左右，并且它们之间存在间隙。同时也存在几百纳米大小的颗粒，如箭头所示。LTO形貌图像显示电极材料为板状晶体结构，箭头所示。在5微米LCO电流分布图像中，可发现电流在黄色虚线的左右两侧明显不同。对比5微米LCO形貌图像，可推测黄色虚线是裂缝的边界。此外，很明显箭头所指的几个几百纳米大小的晶粒处没有电流。推测其原因是这些颗粒因破碎脱落隔离于其他材料，未能形成电流通路。在5微米LTO电流分布图像中依然没有检测到电流。对比以上图像发现，5微米LCO粘性力图像与5微米LCO高度图像(e)和5微米LCO电流图像中的分布相关。同时5微米LTO粘性力图像与5微米LTO高度图像中的板状晶体（箭头所示）分布相关。通常，粘性力被认为是由毛细力、范德华力或样品表面水膜导致的电荷聚集引起的。然而，在本次测量中，水蒸气浓度为75ppm或更低，因此毛细力的影响很小。所以，粘性力图像可能代表范德华力或电荷力，这两种力可被用于展示电极材料的组成分布。根据上述信息，很可能LCO电流分布反映了材料的成分分布，并且电流的路径受晶粒之间的裂纹或间隙影响。LTO在这种情况下无法获得电流图像，可尝试充电以降低其内阻，然后进行测量。由以上案例可知，原子力显微镜可以广泛适用于现行的锂电池材料测试，同时在各类新型电池的研发中，也具备非常重要的作用。本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。