锂电池电化学膨胀仪

pspan style="font-family: 微软雅黑, Microsoft YaHei "　　由于化学电源的电化学性能与电极/电解质的界面过程密切相关，涉及电荷转移、离子输运、相的生成和转化等步骤，在纳米尺度上深入理解界面过程对于器件设计和材料优化具有重要意义。然而能源体系的运行环境非常复杂，涉及无水无氧环境、有机/离子液体电解质体系、多相界面、多电子反应过程等，因此，针对性发展复杂体系下电化学界面高分辨原位成像方法，从而实现电化学反应过程的实时追踪和原位分析，也是电分析化学的挑战和难点之一。br//span/ppbr/span style="font-family: 微软雅黑, Microsoft YaHei "　　中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室文锐课题组致力于锂电池界面电化学过程的原位研究并取得系列进展。在前期工作中，他们利用氩气环境下的原位原子力显微镜(AFM)，在以[BMP]sup+/sup[FSI]sup-/sup为代表的离子液体中，捕获纳米尺度上锂离子电池中高定向热解石墨(HOPG)表面固态电解质界面膜(SEI)的初始成核、逐步生长及成膜的系列演化过程，并揭示了不同离子液体中SEI膜的界面性质及与电池性能相关性。相关成果发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 上。br/br/　　进一步，研究人员开展了具有高理论能量密度(2600 Wh/kg)锂硫电池中界面电化学反应的系列研究。利用电化学 AFM 及谱学分析表征，实现了在锂硫充放电过程中还原产物硫化锂和过硫化锂在界面形貌演变及生长/溶解过程的原位监测(图1)，并提出过硫化锂在循环过程中不可逆反应产生的界面聚集是导致电极钝化及电池性能衰减的原因之一。恒电流控制下的原位成像研究表明，电流密度大小影响界面形貌及沉积物种类，直观揭示了结构-性能关联性。相关成果发表在 Angewandte Chemie International Edition 上。br/br/　　近日，科研人员利用电化学 AFM 进一步探究了在高温条件下锂硫电池在LiFSI基电解液中的界面行为与反应机制(图2)。研究发现，在高温60℃时，阴极/电解质界面在放电过程中会原位形成一层由LiF纳米颗粒构成的功能性界面膜，并通过物理尺寸效应及化学吸附作用捕获电解液中的长链多硫化锂。此过程有利于抑制多硫化物穿梭效应及副反应的发生，并增强界面电化学反应的可逆性。该研究通过原位表征与分析为高温电化学行为在纳米尺度提供了直接的界面机理解释，也为锂硫电池的电解液设计及性能提升提供了思路和指导。相关成果发表在 Angewandte Chemie International Edition 上。br/br/　　研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院的支持。/span/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/0a9eee39-49a2-4c61-9964-34c61b6891a0.jpg" title="1.jpg"//ppspan style="font-family: 微软雅黑, Microsoft YaHei "strong图1.原位AFM电化学池示意图(左)及放电中锂硫界面反应过程的原位AFM图像(右)/strong/span/pp style="text-align: center"img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201711/insimg/f9c7499b-e1eb-4d46-8f9d-0cdc07b1cc1b.jpg" title="2.jpg" style="width: 500px height: 252px " width="500" vspace="0" hspace="0" height="252" border="0"//ppspan style="font-family: 微软雅黑, Microsoft YaHei "strong图2.高温60℃下锂硫电池中阴极/电解质界面过程示意图/strong/span/p

圆柱电芯的膨胀力主要源于电池内部的化学反应和充放电过程中的物理变化。在充电过程中，正极上的活性物质释放电子并嵌入负极，导致正极体积减小，负极体积增大。同时，电解液在充电过程中发生相变及产气副反应，也会造成一定的体积变化。这些因素共同作用，使得圆柱电芯在充放电过程中也会产生膨胀力。随着充放电次数的增加，这种膨胀力逐渐累积，导致电芯的尺寸发生变化。这种尺寸变化不仅会影响电池的外观和使用寿命，还可能对电池的安全性产生影响。因此，准确表征圆柱电芯的膨胀力对于优化电池设计、提高电池性能和安全性具有重要意义。表征圆柱电芯膨胀行为的方法电池的膨胀行为分为尺寸上的膨胀量和力学上的膨胀力测量。目前，对于软包电池、方壳电池膨胀行为的测量表征，已有较多研究和相应的测试手段及设备，在此不再赘述。但对于圆柱型电池的膨胀行为研究相对较少，也没有较好的商业化膨胀力评估手段。目前在文献资料中，常见的圆柱电芯膨胀行为的表征手段主要有以下几种：1、估算法如图1和图2所示，有研究表明圆柱型电池的膨胀变化与电池的SOC和SOH状态具有一定的相关性。但该方法建立在圆柱型电池的膨胀在整个圆周上是均匀的。图 1 单次充放电过程中，圆柱型电池的可逆膨胀变化图 2 电池老化过程中，圆柱型电池的SOH变化与不可逆膨胀之间的关系直接测量法通过在圆柱电芯外部施加压力，通过贴附应变片测量应变，该方式计算复杂，无法直观体现膨胀力。2、影像分析法影像分析法是一种无损检测方法，如利用CT断层扫描、中子成像、X射线、超声波等影像技术观察电芯内部的形变情况，通过分析影像的变化来测算电芯尺寸变化。这种方法适用于多种类型的圆柱电芯，且对电芯无损伤。然而，影像分析法需要使用昂贵的专业设备，且测量精度易受到设备性能和操作人员经验的影响。3、薄膜压力法一般需解剖圆柱电池，在电芯内部嵌入薄膜压力传感器或压敏纸的方式，从而获得圆柱电芯在不同方位上的膨胀力分布情况。但薄膜压力传感器精度一般较低，成本高；而压敏纸分析，具有滞后性。该测试均为破坏性测试。表征圆柱电芯膨胀行为存在的问题有研究表明，圆柱型电池电池实际的膨胀是明显偏离预期的均匀膨胀，在周长上会形成膨胀和收缩的区域，这取决于圆柱型电池的卷芯卷绕方向。因此，使用体积变化来研究老化或预测SOC需要特别谨慎，因为膨胀会因测量位置而显著不同，测量结果可能因测量方法而有偏差。电弛膨胀测试解决方案电弛自主研发的电池膨胀测试系统，高度集成了温控、充放电、伺服控制、高精度传感器等模块，并提供企业级系统组网功能。该系统可对多种电池种类和电池形态的电池进行膨胀行为测试，包括碱金属离子电池(Li/Na/K)、多价离子电池(Zn/Ca/Mg/Al)、其他二次金属离子电池(金属-空气、金属-硫)、固态电池，以及单层极片、模型扣式电池(全电池、半电池、对称电池、扣电三电极)、软包电池、方壳电池、圆柱电池、电芯模组。同时，可为不同形态电池提供定制化夹具，开展手动加压、自动加压、恒压力、脉冲恒压、恒间距、压缩模量等不同测试模式的研究。本产品还可方便扩展与电池产气测试、内压测试、成分分析的定制集成。为锂电池材料研发、工艺优化、充放电策略的分析研究提供了良好的技术支持。参考文献Jessica Hemmerling, 2021. Non-Uniform Circumferential Expansion of Cylindrical Li-Ion Cells—The Potato Effect. Batteries, 7, 61.

关注“新能源”锂电安全|深度分析锂电池鼓胀气体高丽LIBs锂离子电池(LIBs)因其重量轻、能量密度高以及比其他类型电池的使用寿命长等特性，被广泛应用于动力、储能以及3C等产业。锂离子电池在循环使用或储存中，可能因为电解液组分发生成膜及氧化反应、电池过充过放、内部微短路等原因导致SEI膜分解破坏从而产生气体，也可能因电解液中的高含量水分发生电解反应等原因导致电池产气鼓胀，出现具有一定安全风险的失效，主要有热失控、胀气、膨胀形变等。因此，了解电池鼓胀气体的组成对于优化电解液的组成是至关重要的。三类成分电池在老化、放电等过程中会产生各种气体成分非常复杂。其中主要有三类成分：1）永久气体如氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等；2）短链碳氢化合物(C2-C5)；3）其他可挥发性化合物。赛默飞气相色谱锂电池鼓胀气体分析方案锂离子电池鼓胀气体的常见产气成分有H2,CO,CO2等永久性气体以及CH4,C2H4,C2H6等烷烃类气体。表1.校正气体组成方案一：气密针进样某些小型LIBs在使用过程中只会产生几毫升的膨胀气体。针对气体量极少的这一类样品，赛默飞推出气密针进样，配置一个TCD和一个FID检测器，一根分析柱和一根预柱，一次进样实现对电池鼓胀气体成分H2,O2,N2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C3H6,C3H8的分析。图1.FID通道校正标样色谱图（方案一）（点击查看大图）图2.TCD通道校正标样色谱图（方案一）（点击查看大图）方案二：气密针/阀进样赛默飞推出气密针/阀进样，配置一个TCD和一个FID检测器。一根分析柱和一根预柱，一根毛细管分析柱，一次进样实现对电池鼓胀气体成分H2,O2,N2,CO,CO2,CH4,C2H4,C2H6,C3H6,C3H8,i-C4H10,n-C4H10,i-C5H12,n-C5H12的分析。图3.TCD通道校正标样色谱图（方案二）（点击查看大图）图4.FID通道校正标样色谱图（方案二）（点击查看大图）完善的解决方案在锂电池产业链中，除了电池鼓胀气体成分分析，还需要围绕产品质量、原材料质控、或锂电池各种性能指标的研发工作进行一系列的理化测试，包括：元素分析、电解液、添加剂成分分析、石墨类负极材料有机物含量测试、电解液未知成分分析、SO42-、Cl-等阴离子及Si等非金属元素分析、电解液等原材料鉴别等。赛默飞在锂电子电池材料检测领域积累了丰富的经验，为广大用户提供完善的解决方案。扫描下方二维码即可获取赛默飞全行业解决方案，或关注“赛默飞色谱与质谱中国”公众号，了解更多资讯+

近日，中文国家核心期刊《电源技术》2024年第1期和第2期连续发表仪思奇（北京）科技发展有限公司杨正红等两篇论文：《超声/电声谱法测定锂电池浆料的粒度、流变和微观电学参数》（见2024,48（1）:95-100）及《用超声/电声谱监测锂电池正极浆料的合浆及包覆质量》（见2024,48（2）:284-288）。这预示着在锂电池浆料稳定性和微观电学性质评价方面取得决定性突破。众所周知，在正、负极浆料中，颗粒状活性物质的分散性和均匀性直接影响到锂离子在电池两极间的运动，因此在锂离子电池生产中各极片材料的浆料混合分散至关重要。浆料分散质量的好坏，直接影响到后续锂离子电池生产的质量及其产品的性能。目前对电池浆料的质量监测依据的是剪切流变性能的监测，然而，对相同工艺产生不同流变性质的原因始终是困扰电池浆料质量控制的痛点。据报道，影响锂离子电池浆料流变性的一些主要参数包括：1. 分散相的类型及表面电荷的大小：对于不同种类的正负极活性物质，由于其种类不同，具有不同的水化膨胀特性以及不同的表面电荷，因而不同种类的活性物质其分散特性、胶溶特性以及形成具有一定强度的结构体系的能力也各不相同，其宏观表现是不同种类的活性物质配制而成的浆料具有不同的流变特性。2. 固相的浓度：分散相或固相浓度的大小主要影响浆料的屈服应力和塑性粘度或表观粘度。在一般情况下，固相浓度越大，其屈服应力、塑性粘度或表观粘度越大。3. 固相颗位的大小、形状以及粒径的分布：在固相浓度不变的条件下，颗粒的粒径越小，由于其总的表面积增加，因而浆料的屈服应力和粘度将随之增加。 4. 分散介质本身的粘度：不同的溶剂具有不同的粘度，使得浆料的粘度也将随之变化。5. 温度和压力：在不同的温度和压力下浆料具有不同的流变特性。6. 浆料的pH值。对于锂电池合浆工序而言，合浆的搅拌工艺、粘结剂、固含量和浆料粘度对浆料的稳定性有重大的意义。通过高粘度搅拌工艺，浆料中导电剂是否能较好地分散在主料的表面，均匀地包覆住主料，这将影响极片的导电性，直接影响电池的倍率性能。因此，我国锂电池行业只能通过测粘度对浆料稳定性进行粗放的宏观管理，而缺乏对浆料本身电学性质的研究和监测，极大地影响了锂电池的成品率，导致成本无法下降，品质无法提高。美国和日本锂电企业都是通过超声衰减/电声学技术（ISO 20998/ISO13099）表征浆料中颗粒的电化学性能，进行锂电池浆料及其稳定性精准质控的。为了打破封锁，提高我国锂电池生产品质，根据所掌握的信息，仪思奇对电池浆料品质控制的超声/电声学参数进行了初步探索。美国分散技术公司的DT-1202或DT-1210超声/电声谱分析仪具有在常压条件下测量和计算上述包括粒度及zeta电位等几乎全部涉及的宏观和微观参数的能力（颗粒形状除外），国家标准GB/T 41316-2022《分散体系稳定性表征指导原则》中也推荐了超声/电声学方法。在日本，DT-1202以每年20台的销量早已广泛应用于电池浆料的质量控制中。然而，日本公司在向我国销售电池设备的同时，却对质控仪器及其相关参数对我国严格保密。为打破垄断，提高我国锂电池生产质量，降低消耗，仪思奇科技从成立之初，即与锂电材料企业广泛合作，对电池浆料可能的质控参数进行了一系列探索实验。经过八年的艰苦探索和努力，他们发现锂电池正负极浆料的稳定性化存在着不同的机制，它们的作用可以通过不同的参数表征出来，即宏观电动学参数——Zeta电位和微观电学参数——表面电荷密度。在锂电池浆料的稳定效应中，后者起到更重要的作用。因此，在锂电池浆料的研究或质量监控中，不仅需要关注zeta电位值，更需要关注表面电荷密度值的变化，二者不可偏废。这些微观电学参数也影响着浆料的宏观流变性能。超声衰减谱还可同时测量浆料体系的高频剪切黏度（动力黏度）和体积黏度（纵向黏度），反映了浆料在微观尺度上流变学性质，并且是一种非侵入式和非破环性的方法，为物质的微观结构提供了更深入的信息，有助于判断锂电池浆料工艺不稳定性的原因。研究表明，超声法直接测定锂电池合浆过程中的原浓浆料粒度直观有效，对于工艺质控非常重要。zeta电位作为疏水胶体体系静电排斥效应的表征参数，却很难直接作为电池浆料NMP有机体系的稳定化表征参数。但是在合浆过程中，因导电添加剂团聚的存在，很难均匀包覆在LFP颗粒上，而通过胶体电流（CVI）测定的电声法直接测量锂电池浆料的Zeta电位和双电层厚度可以成为导电剂是否分散和包覆均匀的关键质量控制参数。上述对电池浆料评价方法的突破，对锂电池浆料稳定性和工艺控制的解决方案探索具有重要意义

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。

近日，化学院王家海教授团队联合香港科技大学邵敏华教授，在锂离子电池负极材料领域取得重要进展。研究成果发表在国际知名期刊Nano Energy上。01研究背景:金属硫化物作为锂离子电池负极材料，近年来受到了广泛的研究和关注。它们因具有较高的理论比容量、良好的电化学活性以及相对稳定的化学性质而备受青睐。相较于传统的碳基材料，金属硫化物能够提供更多的锂储存位点，从而大幅提升电池的能量密度。尽管金属硫化物作为锂离子电池负极材料具有众多优点，但仍面临着一些挑战，如体积膨胀、电化学稳定性不足等问题。因此，研究人员正在通过各种策略，如复合材料的制备、界面工程、结构设计等方法来解决这些问题，进一步提升金属硫化物负极材料的电化学性能和使用寿命。02研究内容异质结构的构建是合成具有高电化学性能的锂离子电池负极材料的一种有效方法。在本研究中，王家海教授团队通过一种设计的溶剂热策略实现了一个界面调控的ZnS@MoS2异质结构。该策略在异质结构中引入了界面调控，增加了锂吸附的活性位点，并提高了锂离子存储的整体动力学性能。在异质结构界面处引入了内建电场，增强了电子转移和锂离子迁移，从而得到高性能锂离子电池负极材料。密度泛函理论（DFT）计算的结果进一步确认，界面处的电子重新分布促进了电荷转移并降低了锂离子迁移的障碍。这项研究提出了一种新颖的界面调控策略，增强了异质结构中的锂离子存储，并揭示了改善锂存储动力学的潜在机制。具体创新点为：1. 界面调控策略的引入：本文通过设计一种界面调控策略，系统地解决了ZnS和MoS2在异质结构中的界面匹配和电子传输效率问题，这在之前的研究中很少被报道。界面调控不仅改善了材料的电化学性能，还提高了其结构稳定性。2. 异质结构的创新构建：采用溶剂热法成功构建了ZnS@MoS2异质结构，这种结构能够有效增加锂离子的吸附位点，并改善锂离子的迁移动力学。这种特殊的构建方式为提高电池的能量密度和循环稳定性提供了新的途径。3. 表面反应动力学的优化：通过界面调控策略，显著增强了表面反应动力学，这意味着电池在充放电过程中能更高效、快速地进行锂离子的吸附和释放。这直接提升了电池的充放电性能，尤其是在高倍率充放电条件下。4. 内建电场的应用：研究中在ZnS@MoS2异质结构的界面处引入了内建电场，该电场有助于促进电子的快速转移和锂离子的迁移，进一步提升了电池的充电效率和稳定性。这种方法在提高电池性能方面展现了巨大的潜力。03研究相关博士后陈辅周为本文的第一作者，王家海教授和邵敏华教授为共同通讯作者，广州大学为第一单位。王家海，广州大学化学化工学院教授。团队研究方向包括能源催化材料、锂电池、生物化学传感器、纳米孔单分子计数器和5G通讯。代表性成果发表在Advanced Materials、Biosensor and Bioelectronics、J. Am. Chem. Soc.、Nano Letters 、Nano-Micro Letter 、Nano Energy等国际知名期刊。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109414

锂电池鼓包是由于电池内部化学反应导致的，通常是由于过充或过放引起的，也有可能是因为生产制作工艺的问题导致的。过充会使锂电池内部的化学物质过度反应，导致电池内部压力增大，从而引起电池鼓包。而过放则是因为电池内部的化学反应未能完全进行，导致电池内部的化学物质浓度过低，也会引起电池鼓包。要测试锂电池是否鼓包，可以使用以下方法：1.观察外观：正常的锂电池应该是平坦的，如果电池外包装出现明显的凸起、膨胀或变形，就可能是鼓包的迹象。2.检查密封性：锂电池的外包装应该具有良好的密封性能，如果电池的外包装出现漏液、漏气等现象，也可能是电池鼓包的迹象。3.测量电池电压：使用电压表或多用途测试仪测量电池的电压。如果电池电压异常高或异常低，也可能是电池鼓包的迹象。4.检查电池电极触点：电池的电极触点应该干净、无杂质，如果触点脏污或者接触电阻太大，也可能会导致电池鼓包。5.直接测试：可以通过专业的测试设备测试里面是否有气体，从而得到科学准确的判断。武汉电弛新能源有限公司的GPT-1000M原位产气量测定仪， 可直接将待测气体引入测试单元，流量变化分辨率精确至1μL。相较基于采⽤ 传统的阿基⽶ 德浮⼒ 法、理想⽓ 体计算法等⽅ 法的仪器，GPT-1000M可直接监测⽓ 体的微量体积变化，结果精准可靠，重复性⾼ ，尾⽓ 可直接收集，同时该设备可串联GC-MS、DEMS等多种⽓ 体成分检测⼿ 段，能为为材料研发和锂电池电芯产⽓ 机理的分析研究提供了真实可靠的数据⽀ 持。最后，如果怀疑锂电池鼓包，建议立即停止使用并更换，以避免安全事故的发生。同时，在使用锂电池时，应该遵循正确的使用和充电方法，避免过度充电或过度放电，保持电池的正常状态。

日前，为了进一步提高电动自行车锂电池质量安全谁，工业和信息部组织起草了《电动自行车用锂离子蓄电池安全技术规范》（GB 43854—2024）。从此，电动自行车的锂电池有了强制性国标。在我国城市街头，电动自行车社会保有量超过3.5亿辆，是千家万户的重要出行工具，超过20%的电动自行车配备了锂电池。锂电池在我们的生活中无处不在，带来了前所未有的便利，也隐藏着一些鲜为人知的威胁——那就是锂电池的产气行为。锂离子电池在正常使用过程中，由于电解液的氧化还原反应、正负极材料分解以及SEI膜分解等多种因素，可能会产生一定量的气体。这些气体在电池内部积聚，虽然初期可能不会对电池性能产生显著影响，但随着时间的推移，它们却可能成为潜在的“定时炸弹”。因此，为避免锂电池产气带来的潜在危害，我们需要深入研究产气行为规律，积极探索电池安全技术，并致力于开发更高品质的锂电池产品。（锂电池的产气成分研究）1、电池产气导致电池内部压力升高当压力超过电池外壳的承受极限时，电池可能会发生膨胀、泄漏甚至爆炸。这样的后果不仅可能损坏设备，更可能对用户造成人身伤害。（手机锂电池膨胀形变）2、电池产气影响电池性能和寿命由于产气行为的存在，电池内部有效空间被压缩，导致锂离子传递速度减慢。这不仅会降低电池的放电速率和能量密度，还会增加电池阻抗，电池更容易发热。日积月累，电池性能会加速衰减，寿命大大缩短。3、电池产气对环境造成污染虽然这些气体在正常情况下不会大量释放到环境中，但在电池损坏或回收处理不当的情况下，可能会泄漏到大气或水体中，对生态环境造成不良影响。面对这些潜在威胁，如何减少锂电池产气风险？1、源头上控制气体产生电池制造商通过不断优化生产工艺和材料配方，减少电解液和正负极材料中可能产生气体的杂质和残留物。同时，加强电池外壳的密封性和耐压能力也是必不可少的措施。2、注重电池保养和维护避免过充、过放和高温环境等恶劣条件对电池造成损害。此外，定期检查和更换老化的电池也是保障安全的重要手段。3、加强电池回收和处理建立健全的电池回收体系和处理机制可以最大限度地减少废旧电池对环境的影响和潜在危害。避免危机电池流入市场，引发安全事故。（锂电池热失控）《电动自行车用锂离子蓄电池安全技术规范》规定了电动自行车用锂离子蓄电池单体的安全要求，从电气安全、机械安全、环境安全、热扩散、互认协同充电、数据采集、标志等7个方面入手，从源头上提升锂离子蓄电池的本质安全水平。强制性新国标出台意味着市场需要更安全的锂电池产品。多个方面入手加强管理和控制减少气体产生的风险保障锂离子电池的安全和可靠性。通过专业测试仪器，了解电池在不同阶段的产气速率与产气总量，获取电池性能、质量和环境影响的重要信息。 （GPT-1000原位产气量测定仪）武汉电弛新能源有限公司推出了GPT-1000原位产气量测定仪，可实时、在线、连续、原位监测电池的产气行为，包括产气量和产气速率等参数，实现化成产气、过充产气、循环产气、存储产气等各阶段产气行为研究。GPT-1000原位产气量测定仪应用广泛，满足软包电池、方形/硬壳电池、圆柱电池、固态电池、钠电池等测试需求。

近几年中国锂电池的出货量持续增长，对电池的各种研究也在不断深入。锂离子电池充电后，其中的活性物质会发生体积膨胀，原位表征技术成为分析工作中的重要手段。这种变化有时并不显著，利用原位CT可以捕获微小变化的差异，让分析工作更加简单，品质管理更科学可靠。 小型锂电池外观电池整体的断面图像图中可见，间隙部分的增大。 放、充电后电池各层电极将放、充电后电池各层电极的图像进行对比，可见电极厚度上有微小膨胀，最终导致整体厚度的增加。 岛津微焦点X射线CT系统 inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus——一款支持锂电池充放电试验的微焦点CTinspeXioSMX-225CTFPDHRPlus（可搭载充放电系统） • 人性化操作的理念贯穿整个设计。即使CT试验的步骤简化到三步，依然能拍摄出高质量的数据。• 维护保养简便易行，让设备的使用无后顾之忧。 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

2021 年 7 月 14 日 - 16 日，以“锂电安全”为主题的第四届全国锂离子电池安全性技术研讨会在江苏省苏州市张家港隆重举行。 本次会议由清华大学核研院锂离子电池实验室和清华大学-张家港氢能与先进锂电技术联合研究中心共同发起组织并主办，由清华大学核研院何向明老师当任会议主席，清华大学王莉老师、刘凯老师和冯旭宁老师当任会议副主席。飞纳电镜的应用技术专家与来自全国新能源、汽车、船舶、电子等行业代表展开深入交流，探讨电子显微分析技术在分析检测领域的应用。 无论是正极材料，还是负极材料，一旦在原材料或者生产过程中引入杂质元素，这些杂质不仅会降低其中活性材料的比例，还会催化电极材料与电解液的副反应，甚至穿刺隔膜，严重影响电池的电化学性能，造成安全隐患。因此，严格把控锂电池的清洁度以及对杂质元素进行有效分析，至关重要。就此飞纳电镜针对锂电池行业的这一痛点，会上为大家分享了飞纳全自动锂电池杂质分析方案。 会议采取演讲加讨论的会议形式。来自清华大学、中科院青岛能源所、上海交通大学、中国科技大学、武汉理工大学、华东理工大学、中电院安全技术研究中心、比亚迪、CATL、ATL、莱茵技术有限公司、华为技术有限公司的 330 余位锂电领域的专家、学者和企业研发人员参加了本次会议。会议开幕式由清华大学锂离子电池实验室主任何向明老师主持，彰显了清华大学在锂离子电池安全性研究方面的突出地位和鲜明特色。 清华大学核研院何向明老师 清华大学王莉老师 会议围绕锂离子电池安全性问题根本起因及安全技术研发出发，从电池热失控分析、关键电池材料改进和研发进展、电池安全性设计与制造，安全测试评估以及电池安全使用等多个视角，30 位专家学者分享了他们的最新研究成果与科研理念。在为期一天半的会议中，会场充满了浓郁的学术氛围，参会代表踊跃提问，专家学者细致耐心解答，大家收获到的不只是充分的交流，还有珍贵的友谊和扎实的合作。本次研讨会的成果将推进锂电产业与技术的合作与发展，进一步提升我国安全性锂离子电池的研发与生产水平。

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

p　　strong1 稳态测量/strong/pp　　1.1 稳态过程与稳态系统的特征/pp　　一个电化学系统，如果在某一时间段内，描述电化学系统的参量，如电极电势、电流密度、界面层中的粒子浓度及界面状态等不发生变化或者变化非常微小，则称这种状态为电化学稳态。/pp　　稳态不等同于平衡态，平衡态是稳态的一个特例。同时，绝对的稳态是不存在的，稳态和暂态也是相对的。稳态和暂态的分界线在于某一时间段内电化学系统中各参量的变化是否显著。/pp　　1.2 稳态极化曲线的测量方法/pp　　稳态极化曲线的测量按照控制的自变量可分为控制电流法和控制电势法。/pp　　控制电流法亦称之为恒电流法，恒定施加电流测量相应电势。控制电势法亦称之为恒电位法，控制研究电极的电势测量响应电流。/pp　　本质上恒电流法和恒电势法在极化曲线的测量方面具有相同的功能，如果电化学体系中存在电流极大值时选择恒电势法，存在电势极大值时选择恒电流法。/pp　　1.3 稳态测量方法的应用/pp　　稳态极化曲线是研究电极过程动力学最基本的方法，在电化学基础研究方面有着广泛的应用。可根据极化曲线判断反应的机理和控制步骤 可以测量体系可能发生的电极反应的最大反应速率 可以测量电化学过程中的动力学参数，如交换电流密度、传递系数、标准速率常数和扩散系数等 可以测定Tafel 斜率，推算反应级数，进而获取反应进程信息 此外，还可以利用极化曲线研究多步骤的复杂反应，研究吸附和表面覆盖等过程。/pp　　strong2 暂态测量/strong/pp　　2.1 暂态过程与暂态系统的特征/pp　　暂态是相对稳态而言的，随着电极极化条件的改变，电极会从一个稳态向另一个稳态转变，在此期间所经历的不稳定的、电化学参量显著变化的过程称之为暂态过程。/pp　　暂态过程具有如下基本特征：①存在暂态电流——该电流由双电层充电电流和电化学反应电流组成，前者又称之为非法拉第电流或电容电流，后者常常称之为法拉第电流 ②界面处存在反应物与产物粒子的浓度梯度——即电极/溶液界面处反应物与产物的粒子浓度，如前所述，不仅是空间位置的函数，同时也是时间的函数。/pp　　2.2 暂态过程中的等效电路分析及其简化/pp　　由于暂态过程中的各参量是随时间变化的，与稳态过程比较，更为复杂。为便于分析和讨论，将各电极过程以电路元件组成的等效电路的形式来描述电极过程，等效电路施加电流后的电压响应，应与电极过程的电流电压响应一致。典型的两电极测量体系等效电路如图 5 所示。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/a705964b-ec79-49be-86a2-0967442f14c9.jpg" title="5.jpg" alt="5.jpg"//pp style="text-align: center "　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "图 5 两电极体系电解池的等效电路/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) "　　Fig.5 Equivalent circuit of two electrode system/span/pp　　图 5 中，A 和 B 分别代表研究电极和辅助电极(两电极体系)，R A 和 R B 分别表示研究电极和辅助电极的欧姆电阻，C AB 表示两电极之间的电容，R u表示两电极之间的溶液电阻，C d 和 C d ' 分别表示研究电极和辅助电极的界面双电层电容，Z r 和 Z r ' 分别表示研究电极和辅助电极的法拉第阻抗。/pp　　若 A、B 均为金属电极，则 R A 和 R B 很小，可忽略 由于两电极之间的距离远大于界面双电层的厚度，故 C AB 比双电层电容 C d 和 C d ' 小得多，当溶液电阻 R u 不是很大时，由 C AB 带来的容抗远大于 R u ，故C AB 支路相当于断路，可忽略 此外，若辅助电极面积远大于研究电极面积，则 C d ' 远大于 C d ，此时，C d ' 容抗很小，相当于短路，故等效电路(图 5)最终可简化为如图 6 所示。这相当于在电池中一个电极的电阻很小时的情况，如采用金属锂负极的两电极电池。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/29358b29-15c6-41d9-a13a-a6df8af6f153.jpg" title="6.jpg" alt="6.jpg"//pp style="text-align: center "　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "图 6 两电极体系电解池的简化电路/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) "　　Fig.6 Simplified circuit of two electrode system/span/pp　　由于电极过程的多步骤和复杂性，不同速率控制步骤下，电极体系的等效电路不尽相同，有时可以进一步简化，常见的有如下三种情形。/pp　　(1)传荷过程控制下的等效电路/pp　　暂态过程中由于暂态电流的作用使得电极溶液界面处存在双电层充电电流，该双电层类似于平行板电容器，可用 C d 表示，相应的充电电流的大小用i c 来表示。此外，界面处还存在着电荷的传递过程，电荷的传递过程可用法拉第电流来描述，由于电荷传递过程的迟缓性，导致法拉第电流引起了电化学极化过电势，该电流-电势的关系类似于纯电阻上的电流-电势关系，因而电荷传递过程可以等效为一个纯电阻响应，用 R ct 表示。由于传荷电阻两端的电压是通过双电层荷电状态的改变而建立起来的，因而，一般认为 R ct 与 C d 在电路中应属于并联关系，传荷过程控制下的简化等效电路如图 7 所示。需要指出的是，这一简化模型基于传统电化学体系，锂离子电池中，电极在多数状态下。大量电荷存储在电极内，造成电容效应，可以称之为化学电容 C chem ，与C dl 应该是串联关系。在实验上与 R ct 并联显示在阻抗谱半圆上的到底应该是电双层电容还是化学电容还是两种电容之和取决于哪一个电容值更低。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/4da71da6-e74d-48c7-baa1-c8b81d1d0072.jpg" title="7.jpg" alt="7.jpg"//pp style="text-align: center "　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "图 7 传荷过程控制下的界面等效电路/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) "　　Fig.7 Equivalent circuit of interface under the conditionof charge transfer/span/pp　　(2)浓差极化不可忽略时的等效电路/pp　　暂态过程中，对于惰性电极，由于电极/溶液界面处存在暂态电流，因此开始有电化学反应的发生，界面处不断发生反应物消耗和产物积累，开始出现反应物产物浓度差。随着反应的进行，浓度差不断增大，扩散传质过程进入对流区，电极进入稳态扩散过程，建立起稳定的浓差极化过电势，由于浓差极化过电势滞后于电流，因此电流-电势之间的关系类似于一个电容响应。可以用一个纯电阻 R w 串联电容 C w 表示。该串联电路可用半无限扩散模型来模拟，如图 8 所示。这种情况在电池中也会经常出现。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/963f9efd-7c04-4fb1-853d-a76ccf60a7c3.jpg" title="8.jpg" alt="8.jpg"//pp style="text-align: center "　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "图 8 半无限扩散阻抗等效电路/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) "　　Fig.8 Impedance equivalent circuit of semi-infinitidiffusion/span/pp　　上述 R w 和 C w 的串联结构可用一个复数阻抗 Z w来表示，Z w 可理解为半无限扩散阻抗。由于扩散传质过程和电荷传递过程同时进行，因而两者具有相同的电化学速率，在电路中应属于串联关系。一般在阻抗谱上表现为 45 o 的斜线。在锂离子电池中，取决于电极材料颗粒尺寸的大小和孔隙率的大小，锂离子在电极材料内部的扩散或者在电极层颗粒之间的孔隙或者含孔颗粒内电解质相的扩散成为控制步骤。由于存在边界条件约束，往往显示出有限边界条件下的扩散。在浓差极化不可忽略的情形下，可以如图 9 所示。有限边界条件下扩散的等效电路元件只是将 Z w 换为相应的等效电路扩散元件。/pp　　(3)溶液电阻不可忽略时的界面等效电路/pp　　当溶液电阻不可忽略时，由于极化电流同时流经界面和溶液，因而溶液电阻与界面电阻应属于串联关系，典型的浓差极化不可忽略、溶液电阻不可忽略时的等效电路如图 10 所示。在锂离子电池中，由于是多孔粉末电极，有时电极的欧姆电阻也不可忽略，与电解质电阻是串联关系，一般合并在一项中。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/0ae51846-5fa6-44f0-a26d-d5dd6b3603ba.jpg" title="9.jpg" alt="9.jpg"//pp style="text-align: center "　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "图 9 浓差极化不可忽略时的界面等效电路/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) "　　Fig.9 Equivalent circuit of interface under the conditionof concentration polarization/span/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/ac8e06da-7dd5-42e8-a1de-5cbca2510e05.jpg" title="10.jpg" alt="10.jpg"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) "/spanbr//pp style="text-align: center "　　span style="color: rgb(0, 176, 240) "图 10 包含 4 个电极基本过程的等效电路/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) "　　Fig.10 Equivalent circuit including four basic electrodeprocess/span/pp　　2.3 暂态测量方法的分类及其特点/pp　　暂态过程测量方法按照自变量的控制方式可分为控制电流法和控制电势法 按照自变量的给定方式可分为阶跃法、方波法、线性扫描法和交流阻抗法。用暂态测量能比稳态测量给出更多的电化学参量信息。一般来说，暂态测量法具有如下特点：①暂态法可以同时测量双电层电容 C d 和溶液电阻 R u ②暂态法能够测量电荷传递电阻 R ct 。因此，能够间接测量电化学过程中标准速率常数和交换电流的大小 ③暂态法可研究快速电化学反应，通过缩短极化时间，如以旋转圆盘电极代替普通电极，并加快旋转速度，可以降低浓差极化的影响，当测量时间小于 10 ?5 s 时，暂态电流密度可高达 10 A/cm 2 ④暂态法可用于研究表面快速变化的体系，而在稳态过程中，由于反应产物会不断积累，电极表面在反应时不断受到破坏，因而类似于电沉积和阳极溶解过程，很难用稳态法进行测量 ⑤暂态法有利于研究电极表面的吸脱附结构和电极的界面结构，由于暂态测量的时间非常短，液相中的杂质粒子来不及扩散到电极表面，因而暂态法可用于研究电极反应的中间产物和复杂的电极过程。/pp　　以上两小节介绍的内容主要适用于传统的电化学体系，氧化还原反应发生在电极表面，电极为惰性电极，电解质为稀浓度电解质，更详细准确的描述参见电化学的教科书。锂电池与传统电化学测量体系显著不同之处是氧化还原反应发生在电极内部而非电极表面，离子的扩散、电荷转移，相变可以发生在电极内部。锂电池的电极一般是非均相多孔粉末电极，孔隙之中存在着电解液，电解液中离子的浓度达到 1 mol/L 甚至更高， 这些不同导致获得可靠的锂离子电池电极过程动力学参数非常困难。而锂空气电池的研究涉及到多种中间产物的分析，圆盘电极和环盘电极等暂态测量被广泛应用。/ppspan style="color: rgb(127, 127, 127) "i　　文章摘自Energy Storage Science and Technology（储能科学与技术），2015,4（1），（凌仕刚，吴娇杨，张舒，高健，王少飞，李泓，中国科学院物理研究所）/i/span/p

iCAP PRO锂电池分析利器——稳如泰山原创 飞飞 赛默飞色谱与质谱中国 关注我们，更多干货和惊喜好礼 颜儿作 曹琦 贺静芳 李小波 锂电池自上世纪90年代商用化后，作为电子设备的移动能源储备服务于各个领域，2019年诺贝尔化学奖颁发给美国德州大学约翰古迪纳夫、美国纽约州立大学斯坦利威廷汉和日本旭化成株式会社吉野彰三人，以表彰他们对锂离子电池研发的zuo越贡献。目前在国内研究较多的包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和镍钴锰酸锂新能源电池，锂已经融入汽车制造、家电、轨道交通、办公设备甚至guo防jun工等诸多国民经济领域，无法离开和替代。 2020年10月29日，中共zhong央委员会审议通过了国民经济第十四个五年规划和2035年远景目标，为2021-2025年国民经济发展宏观定调，2021年为十四五发展元年，而新能源产业作为科技创新、gao端制造和“新基建“的基础产业自然也列入了国家重点发展规划产业内，国内新能源股价应声大涨，作为新能源汽车long头企业特斯拉股价在2020年一年内拉升近10倍，再次造就马斯克财富神话，国内新能源电池制造巨头宁德时代再一次深度布局锂电池的研发和创新，汽车制造商特斯拉、蔚来、小鹏、比亚迪、理想纷纷发布新型新能源汽车，在续航能力上进一步刷新历史极值，而随着恒大“恒驰”和“小米”汽车涉猎全新疆场，互联网新能源造车领域竞争和发展进入bai热化阶段，势必国内造车新势力将实现弯道超车，未来产业发展可期。 不同的电池为什么具有不同的续航能力？其实在锂电池的充放电循环过程中，由于多种杂质元素的存在常常导致材料晶体结构的塌陷，最终会严重的影响电化学循环寿命和带来安全性的潜在因素。而不同锂电池的主量元素则直接影响到电池的性能（续航能力）和企业的成本，所以能够保证锂电池中主含量元素的稳定，是确保锂电池质量稳定的关键之一。赛默飞iCAP PRO系列是Thermo Fisher 于2020年发布的全新电感耦合等离子体发射光谱仪，是在继承iCAP 7000系列优点基础上创新新技术而生的产品，性能优异、设计独特、测试高效、成本务实。针对锂电池材料中主量元素能提供所有同类产品中Zui具竞争力的稳定性，为锂电池的安全和性能保驾护航。 Thermo Scientific™ iCAP™ PRO ICP-OES 紧凑精密恒温的光学系统：在波长200nm处光学分辨率小于7pm，确保zuo越的检出限，控温精度可达±0.1℃，超高光学控温稳定性全新400万像素CID检测器：2MHz高速全波长范围同步扫描，分析速度提高30%-40%，-45℃以下三级制冷，确保Zui佳信噪比高效固态功率发生器设计：耦合效率＞85%，可实现功率稳定性0.15%垂直矩管双向观测设计：可同时满足高低含量测试，保证轴向观测灵敏度和径向观测基体耐受性完全可拆卸矩管：便捷客户维护，使用成本低廉高精度MFC气体控制系统：精度达0.01L/min，保证等离子体稳定运行采用赛默飞iCAP PRO系列电感耦合等离子体发射光谱仪能够实现锂电池行业主含量元素的稳定测试的原因如下：稳如泰山一采用±0.1℃高精度控温光室，充分保证长时间测试过程光学稳定性，克服实验室环境温度变化造成的数据波动稳如泰山二采用高效固态功率发生器，可实现RF功率0.15%的稳定性，确保等离子体功率中心温度的稳定性，实现待测元素的稳定激发稳如泰山三采用3路精度为0.01L/min的质子流量计，可实现等离子体气稳定流速，确保样品雾化均匀的雾化气，可实现整个样品引入和激发过程的稳定性稳如泰山四采用垂直炬管双向观测设计，可通过径向观测提高对锂电池复杂基体耐受性，也可通过径向观测提高对于低含量元素（如Cu Fe）等元素的超痕量检出稳如泰山五采用400W像素超高分辨率和-45℃以下制冷温度的CID检测器，可实现高效光子量子化效率和超低检测器背景噪音，改善检出限和信号稳定性既然iCAP PRO有如此强大仪器稳定性的设计特点，让我们一起看下锂电池样品真实测试数据吧，Exciting and Unbelievable!! 无内标校正Ni-Co-Mn-Li重复10次测试稳定性数据 内标在线校正Ni-Co-Mn-Li重复10次稳定性数据无内标校正Ti-Mg-Al重复5次稳定性数据 内标在线校正Fe Ni Cu Al P Zn多元素4h稳定性数据采用赛默飞iCAP PRO系列电感耦合等离子体发射光谱仪， 按照锂电池新能源线性方法，针对Ni-Co-Mn-Li、P-Fe-Li和Mg-Ti-Al等不同类型正极材料内标在线校正进行短期和长期的稳定性测试，结果表明iCAP PRO ICP-OES可对锂电池中主量元素进行超级出色的准确和稳定的测量。

锂电池老化测试的目的是什么？ 锂电池老化通常是指在电池组装注液完成后次充电化成后的放置，既可以有常温老化，也可以有高温老化，目的都是为了保持第一次充电后形成的 SEI膜的性质和组成的稳定性。对锂电池来说，老化的原则和目标一是让电解液充分渗透，二是让正、负极活性材料中的一些活性成分经过一定的反应而失去活性，从而使电池的整体性能更加稳定。在高温老化之后，电池的性能会更加稳定，大部分的锂离子电池厂家在生产的时候，都会选择高温老化的工作方式，在45到50摄氏度之间，进行1到3天的老化，之后在常温下放置。在高温下，电池会暴露出一些可能存在的问题，例如电压变化、厚度变化、内阻变化等等，这些问题都会对电池的安全性和电化学性能产生直接影响。高温老化仅仅是为了缩短电池的生产周期，对于新生成的电池来说，在高温下只会加快电池的化学反应速度，不会给电池带来太大的益处，甚至还会对电池造成伤害，所以在常温下，要保持三个星期以上，让正负极，隔膜，电解液等发生化学反应，从而使电池的性能更加稳定。手机中使用的锂电池除了老化测试，还需要做循环寿命测试、高低温放电测试、倍率测试、内阻、电压、安全性测试等等。手机锂电池测试中为了更稳定的传输电流，可用弹片微针模组作为电池测试模组，来起到稳定的连接作用。它能在1-50A 的范围内保持很好的电流传输，使过流稳定。弹片微针模组还能应对手机锂电池高频率的测试需求，平均使用寿命可达到20w次，弹片头型的自清洁设计还能保持弹片不受污染，保证测试的长期稳定性。测试中应用不同的头型接触不同的测试点，有利于电流的导通和信号的传送。欲了解更多详情欢迎和Lab Companion 沟通交流www.oven.cclabcompanion.cn labcompanion.com.cn labcompanion.com.cn lab-companion.com labcompanion.com.hk labcompanion.hk Lab Companion Hong Konglabcompanion.de Lab Companion Germany labcompanion.it Lab Companion Italy labcompanion.es Lab Companion Spain labcompanion.com.mx Lab Companion Mexicolabcompanion.uk Lab Companion United Kingdomlabcompanion.ru Lab Companion Russia labcompanion.jp Lab Companion Japan labcompanion.in Lab Companion India labcompanion.fr Lab Companion Francelabcompanion.kr Lab Companion Korea

p　　美媒称，佐治亚理工学院的研究人员发现了表明以钠和钾为基础的电池有望成为锂电池之潜在替代品的新证据。/pp　　据美国每日科学网站6月19日报道，从单次充电就能行驶数百英里的电动车，到与汽油锯一样威力巨大的链锯，每年都有利用电池技术最新进步的新产品进入市场。/pp　　但这种增长势头导致人们担心，世界上的锂供应可能最终会耗尽。锂这种金属是许多新型充电电池的核心材料。/pp　　报道称，现在，佐治亚理工学院的研究人员发现了表明以钠和钾为基础的电池有望成为锂电池之潜在替代品的新证据。/pp　　乔治· W· 伍德拉夫机械工程学院以及材料科学和工程学院的助理教授马修· 麦克道尔说：“钠离子和钾离子电池的最大障碍之一是，与其他电池相比，它们的衰减和老化速度往往较快，而储存的能量较少。但我们发现，情况并非始终如此。”/pp　　报道称，研究团队研究了三种不同的离子——锂、钠和钾——是如何与硫化铁颗粒发生反应的。这项研究得到美国国家科学基金会和能源部资助，相关论文于6月19日发表在《焦耳》杂志上。/pp　　在电池充电和放电时，离子会不断与构成电池电极的颗粒发生反应，并穿透这些颗粒。这一反应过程会导致电极颗粒发生大量变化，通常会将它们粉碎成细微颗粒。由于钠离子和钾离子大于锂离子，所以传统上人们认为，它们在与颗粒发生反应时会导致更严重的老化。/pp　　报道称，在实验中，他们在电子显微镜下直接观察电池内发生的反应，其中硫化铁颗粒发挥电池电极的作用。研究人员发现，与钠离子和钾离子发生反应的硫化铁比与锂离子发生反应的硫化铁更为稳定，表明以钠或钾为基础的电池寿命可能比预期的要长得多。/pp　　与不同离子发生反应的方式之间的差异显而易见。在与锂接触时，硫化铁在电子显微镜下看上去几乎要爆炸一样。与之相反，在与钠和钾接触时，硫化铁像气球一样慢慢膨胀。/pp　　佐治亚理工学院的研究生马修· 伯宾格说：“我们看到了一种非常稳定、没有发生断裂的反应。这表明，这种材料和其他类似材料能被用于制造经久耐用、具有更大稳定性的新型电池。”/p

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。

p style="text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "据Technavio最新报告数据，锂离子电池全球市场规模在2020-2024年期间有可能增长478.1亿美元，且市场的增长动力将在预测期内加速。/span/pp style="text-indent: 2em "无论是锂电实验室研究，还是商业化锂电失效分析，锂电材料关心的结构、动力学等性能，均与电池材料的组成与微结构密切相关，对电池的综合性能有复杂的影响。准确和全面的理解锂电池材料的构效关系需要综合运用多种检测技术。/pp style="text-indent: 2em "a href="https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ldc2020/" target="_blank" style="text-align: center white-space: normal "img src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/31be3033-f2b6-4ee0-aa1b-18b601b8e62b.jpg" title="1.jpg" alt="1.jpg" width="600" height="131" border="0" vspace="0" style="max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 131px "//a/pp style="text-align: center "strongspan style="color: rgb(0, 0, 0) "4月24日，锂电检测技术网络研讨会在线直播：/span/stronga href="https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ldc2020/" target="_blank" style="color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "strongspan style="color: rgb(0, 176, 240) "点击免费报名参会/span/strong/a/pp style="text-indent: 2em "锂电材料晶体结构表征手段主要包括 X 射线衍射技术（XRD）、扩展 X 射线吸收精细谱（span style="text-indent: 2em "EXAFS）、中子衍射（neutron diffraction）、核磁共振（NMR）、电镜（EM）、拉曼散射（Raman）等。/span/pp style="text-indent: 2em "XRD是目前应用最为广泛的研究晶体结构的技术。XRD主流商业化产品中，进口品牌包括日本理学、布鲁克、马尔文帕纳科、岛津等；国产品牌包括丹东通达、丹东浩元、丹东奥龙、北京普析通用等。/pp style="text-indent: 2em "近日，仪器信息网有幸邀请国产XRD生产厂商丹东通达分享了锂离子电池电化学原位XRD检测技术应用，及对应应用方案。/pp style="text-align:center"span style="color: rgb(255, 0, 0) font-size: 18px "strongi专题约稿|锂离子电池电化学原位XRD检测技术应用/i/strong/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(127, 127, 127) "——“锂电检测技术系列——晶体结构分析技术”专题约稿/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(127, 127, 127) "作者：丹东通达科技有限公司/span/pp style="text-indent: 2em "可充电电池的发展促成了电动汽车的复兴，同时电动汽车的快速发展推动着可充电电池技术的快速进步，随着研发的深入，传统的研究方法已经不能满足对电池反应过程，容量衰退机制，热失控原因的深入理解与探索。因此，人们开发出了一系列的原位研究技术，它们具有的动态，实时，直观等特点，因此可以用来对电池材料的形貌与结构演变，氧化还原反应过程，固态电解质界面膜进行监视和探索。电池原位研究方法主要包括In situ XAS、in situ XRD、in situ TEM、in situ AFM、in situ Raman、in situ SEM，NPD，IR,...，这些研究方法及测试技术占据基础研究和应用技术开发的主导地位，将锂离子电池技术的研究推到前所未有的深度和广度。/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/02b4c206-68f3-4020-a35c-2a5c6a626391.jpg" title="2.png" alt="2.png"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) text-align: center text-indent: 0em "丹东通达X射线多晶粉末衍射仪系列/span/pp style="text-indent: 2em "X射线衍射(XRD)是研究电极材料晶体结构性质的一种重要的工具,除此之外还能够用来研究化学反应的机理，在电化学系统之中,X射线衍射可以用于研究新型可充放电锂离子电池电极材料。/pp style="text-indent: 2em "其实，原位XRD技术（In situ X Ray Diffraction，In situ XRD）早在20世纪60年代就已经运用到材料研究中，电池原位X射线衍射技术是指在电池的充放电过程中进行XRD扫描，主要可用来观察充放电过程中电极材料所发生的结构和物相转变，精确揭示电池反应机理。Thurston等最早设计的原位电池装置，利用同步辐射光源的硬X射线探测体电极材料，直接观察到晶格膨胀和收缩、相变及多相的形成。/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 312px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/d97ded1d-b7f3-45fe-80b9-cc7bc67801ef.jpg" title="3.png" alt="3.png" width="450" height="312" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center text-indent: 0em "span style="color: rgb(0, 176, 240) "首台国产X射线单晶衍射仪TD-5000 /span /pp style="text-indent: 2em "丹东通达科技有限公司长期致力X射线分析仪器的研究与生产工作，生产的TD系列x射线粉末衍射仪一直占据国内国产粉末衍射仪的销售及应用的大多数市场份额。同时丹东通达科技牵头与中山大学等单位合作承担国家重大科学仪器专项，研发第一台国产x射线单晶衍射仪，对晶体学及相关领域的科学研究具有重大意义。/pp style="text-indent: 2em "丹东通达科技有限公司依据In situ XRD原位测试技术理论及市场需求，结合多年研发XRD经验，采用合作伙伴武汉市蓝电电子股份有限公司配套的LAND电池测试系统，在TD3500型衍射仪上进行改造调整，完成锂离子电池的原位XRD解决方案：/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/85add2a7-cac7-451f-a75b-125d3ffce7fe.jpg" title="4.png" alt="4.png"//pp style="text-indent: 2em "此方案是一种可以实现实时监测电极材料相变和结构演变的有效测试手段。依托TD-3500衍射仪及电池原位检测装置及电池测试系统完成测试整个过程是对同一个材料的同一片区域位置进行扫描分析，得到的谱图解析出信息（无论是晶胞参数、峰强度，还是其他参数）具有较高的可比性，可以得到一系列实时的结构变化信息，有助于深入认识材料在充放电过程中发生的反应，对如何改进材料具有较高的指导意义。/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 315px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/4b3a9c5d-5623-4d20-a342-abb6623341a1.jpg" title="5.jpg" alt="5.jpg" width="450" height="315" border="0" vspace="0"//pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) "通达科技原位解决方案：/spanspan style="color: rgb(0, 176, 240) text-align: center text-indent: 0em "LAND电池测试系统控制软件/span/pp style="text-align: center"img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 290px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/90c15cce-e321-4711-9a6c-944ac8959d6e.jpg" title="6.png" alt="6.png" width="500" height="290" border="0" vspace="0"//ppbr//pp style="text-indent: 0em text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) "通达科技原位解决方案：电池测试XRD控制软件/span/pp style="text-align: center"img style="max-width:100% max-height:100% " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/65934fbd-4c78-4381-a863-965291c9739c.jpg" title="7.png" alt="7.png"//pp style="text-indent: 0em text-align: center "span style="color: rgb(0, 176, 240) text-indent: 0em "通达科技原位解决方案：测试谱图/span/pp style="text-indent: 2em "strong关于丹东通达科技有限公司/strong/pp style="text-align: left text-indent: 2em "img style="max-width: 100% max-height: 100% width: 100px height: 85px " src="https://img1.17img.cn/17img/images/202004/uepic/e2c87797-a84b-42b0-8294-043ed51109f5.jpg" title="8.jpg" alt="8.jpg" width="100" height="85" border="0" vspace="0"//pp style="text-indent: 2em "丹东通达科技有限公司位于中朝边境——辽宁省丹东市。公司是国家高新技术企业、辽宁省双软企业、ISO质量体系认证企业，并获得多项发明专利及实用新型专利，是辽宁省政府、丹东市政府重点扶持的高科技企业，并于2013年5月15日成立院士专家工作站。公司是X射线分析仪器及无损检测仪器的专业生产企业，是2013年国家科技部【国家重大科学仪器设备开发专项】项目承担单位。/pp style="text-indent: 2em "在国家重大专项资金的支持下，公司生产的TD系列分析仪器及TD系列无损检测仪器均已接近或达到世界先进水平，广泛应用于化学、化工、机械、地质、矿物、冶金、建材、陶瓷、石化、药物等材料研究领域。产品除了满足国内用户的需求外，还远销美国、韩国、阿塞拜疆等国家。/pp style="text-indent: 2em "公司加大科技投入，已完成分析仪器及无损检测仪器两大系列产品的系列化工作。分析仪器包括：TD系列X射线衍射仪、台式X射线小型衍射仪、X射线荧光光谱仪、X射线衍射/荧光一体机、X射线晶体定向仪、多功能全自动蓝宝石晶体定向仪、X射线晶体分析仪、激光粒度仪等产品；无损检测仪器包括：便携式X射线探伤机、移动式X射线探伤机、X射线实时成像系统、微焦点X射线检测系统、TD系列X射线管道爬行器及X射线管等产品。/pp style="text-indent: 2em "span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong附：锂电检测系类专题约稿征集中/strong/span/pp style="text-indent: 2em "span style="text-indent: 2em "为促进锂电检测技术发展，近期，器信息网结合锂离子电池检测项目品类，从2019年起策划组织系列锂电检测系列专题报道，为专家、仪器设备商、用户搭建在线网上展示及交流平台。/spanspan style="text-indent: 2em color: rgb(0, 176, 240) "（锂电检测系列专题内容约稿征集进行中，欢迎投稿：/spanspan style="text-indent: 2em color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline "15311451191，yanglz@instrument.com.cn/spanspan style="text-indent: 2em color: rgb(0, 176, 240) "）/span/ptable border="0" cellspacing="0" cellpadding="0" style="white-space: normal "tbodytr class="firstRow"td width="53" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "strongspan style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "系列序号/span/strong/p/tdtd width="359" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "strongspan style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "锂电检测技术系列专题主题/span/strong/p/tdtd width="126" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "strongspan style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "专题链接/span/strong/p/td/trtrtd width="53" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "1/span/p/tdtd width="359" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "锂电检测技术系列——电性能检测技术/span/p/tdtd width="126" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "a href="https://www.instrument.com.cn/zt/lidian1"【链接】/a/span/p/td/trtrtd width="53" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "2/span/p/tdtd width="359" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "锂电检测技术系列——形貌分析技术/span/p/tdtd width="126" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "a href="https://www.instrument.com.cn/zt/lidian2"【链接】/a/span/p/td/trtrtd width="53" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "3/span/p/tdtd width="359" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "锂电检测技术系列——成分分析技术/span/p/tdtd style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "a href="https://www.instrument.com.cn/zt/lidian3"【链接】/a/span/p/td/trtrtd width="53" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "4/span/p/tdtd width="359" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "锂电检测技术系列——晶体结构分析技术/span/p/tdtd style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: Arial, sans-serif color: rgb(68, 68, 68) "5/spanspan style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "月上线/span/p/td/trtrtd width="53" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "5/span/p/tdtd width="359" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "锂电检测技术系列——X射线光电子能谱分析技术/span/p/tdtd rowspan="2" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "即将上线/span/p/td/trtrtd width="53" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "6/span/p/tdtd width="359" style="border: 1px solid rgb(0, 0, 0) padding: 5px word-break: break-all "p style="margin-top: auto margin-bottom: auto text-align: center "span style="font-size: 12px font-family: 宋体 color: rgb(68, 68, 68) "锂电检测技术系列——安全性和可靠性分析仪器及设备/span/p/td/tr/tbody/tablep style="text-indent: 2em "br/br//p

p　　锂离子电池电极过程一般经历复杂的多步骤电化学反应，并伴随化学反应，电极是非均相多孔粉末电极。为了获得可重现的、能反映材料与电池热力学及动力学特征的信息，需要对锂离子电池电极过程本身有清楚的认识。/pp　　电池中电极过程一般包括溶液相中离子的传输，电极中离子的传输，电极中电子的传导，电荷转移，双电层或空间电荷层充放电，溶剂、电解质中阴阳离子，气相反应物或产物的吸附脱附，新相成核长大，与电化学反应耦合的化学反应，体积变化，吸放热等过程。这些过程有些同时进行，有些先后发生。/pp　　电极过程的驱动力包括电化学势、化学势、浓度梯度、电场梯度、温度梯度。影响电极过程热力学的因素包括理想电极材料的电化学势，受电极材料形貌、结晶度、结晶取向、表面官能团影响的缺陷能，温度等因素。影响电极过程动力学的因素包括电化学与化学反应活化能，极化电流与电势，电极与电解质相电位匹配性，电极材料离子、电子输运特性，参与电化学反应的活性位密度、真实面积，离子扩散距离，电极与电解质浸润程度与接触面积，界面结构与界面副反应，温度等。/pp　　为了理解复杂的电极过程，一般电化学测量要结合稳态和暂态方法，通常包括3个基本步骤，如图1所示。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/a9afc2e6-64ea-4948-82ad-3215bccf8bd5.jpg" title="001.jpg.png" alt="001.jpg.png"//pp　　strong1 电化学测量概述/strong/pp　　1.1测量的基本内容/pp　　电化学测量主要研究电池或电极的电流、电势在稳态和暂态的激励信号下随外界条件变化的规律，测量反映动力学特性的参数。/pp　　1.2测量电池的分类及特点电化学测量一般采用两电极电池或三电极电池，较少使用四电极电池。/pp　　1.2.1两电极电池如图2所示，蓝色虚线框所示是一个典型的两电极电池的测量示意图，其中W表示研究电极，亦称之为工作电极(workingelectrode)，C是辅助电极(auxiliaryelectrode)，亦称之为对电极(counterelectrode)。锂电池的研究中多数为两电极电池，两电极电池测量的电压(voltage)是正极电势(potential)与负极电势之差，无法单独获得其中正极或负极的电势及其电极过程动力学信息。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/42e77e09-6d49-4696-a71d-981ad1f27239.jpg" title="002.jpg.png" alt="002.jpg.png"//pp　　1.2.2三电极电池与电极电势以及极化电流的测量图2是一个三电极电池示意图，W和C分别是工作电极和对电极(同上)，R是参比电极(referenceelectrode)。W和C之间通过极化电流，实现电极的极化。W和R之间通过极小的电流，用于测量工作电极的电势。通过三电极电池，可以专门研究工作电极的电极过程动力学。/pp　　由于在锂离子电池中，正极和负极的电化学响应存在较大差异，近年来通过测量两电极电池电压电流曲线，对曲线进行dQ/dV处理，结合熵的原位测量，也能大致判断电池的电流或电压响应主要是与负极还是与正极反应有关。/pp　　1.3参比电极的特性及门类参比电极的性能直接影响电极电势的准确测量，通常参比电极应具备以下基本特征：①参比电极应为可逆电极 ②不易被极化，以保证电极电势比较标准和恒定 ③具有较好的恢复特性，不发生严重的滞后现象 ④具有较好的稳定性和重现性 ⑤快速暂态测量时，要求参比电极具有较低的电阻，以减少干扰，提高测量系统的稳定性 ⑥不同的溶液体系，采用相同的参比电极的，其测量结果可能存在差异，误差主要来源于溶液体系间的相互污染和液接界电势的差异。/pp　　常用的水溶液体系参比电极有可逆氢电极、甘汞电极、汞-氧化汞电极、汞-硫酸亚汞电极等 常用的非水溶液体系参比电极有银-氯化银电极、Pt电极以及金属锂、钠等电极。此外，也可以用银丝、铂丝做准参比电极，或者采用电化学反应电位稳定的溶解于电解液的二茂铁氧化还原电对。关于准参比电极细节可参考A.J.Bard编著的《ElectrochemicalMethods》。/pp　　1.4研究电极的门类及特性电化学测量中常用的研究电极主要有固体电极、超微电极和单晶电极。一般电化学研究所指的的固体电极主要有Pt电极和碳电极。其中碳电极包括热解石墨、高定向热解石墨(HOPG)、多晶石墨、玻璃化碳、碳纤维等。固体电极在使用时需要对其表面进行特殊处理，以期达到较好的重复性。常规的处理步骤为：①浸泡有机溶剂，除去表面吸附有机物 ②机械抛光，初步获取较高的表面光洁度 ③电化学抛光，除去电极表面氧化层及残留吸附物质 ④溶液净化，保证溶液的纯度，消除溶液中的杂质对测量结果的影响。/pp　　此外，超微电极和单晶电极以其独特的性质，近些年来也得到了较广泛的应用。前者可以快速获得动力学参数，且对待测材料的量要求很低，可以避免黏结剂、导电添加剂的干扰。后者可以精确获得溶剂吸脱附、表面结构、结晶取向等对电极过程动力学的影响。/pp　　在锂离子电池的研究中，固体电极包括含有活性物质的多孔粉末电极、多晶薄膜电极、外延膜薄膜电极、单颗粒微电极以及单晶电极等，多数测量时采用多孔粉末电极。/pp　　1.5电极过程电极过程一般情况下包括下列基本过程或步骤：①电化学反应过程:在电极/溶液界面上得到或失去电子生成反应产物的过程，即电荷转移过程 ②传质过程:反应物向电极表面或内部传递或反应产物自电极内部或表面向溶液中或向电极内部的传递过程(扩散和迁移) ③电极界面处靠近电解液一侧的双电层以及靠近电极内一侧的空间电荷层的充放电过程 ④溶液中离子的电迁移或电子导体、电极内电子的导电过程。/pp　　此外，伴随电化学反应，还有溶剂、阴阳离子、电化学反应产物的吸附/脱附过程，新相生长过程以及其它化学反应等。/pp　　锂离子电池作为一种复杂的电化学体系，其电极过程同样具备上述几个基本步骤。其工作原理如图3所示。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/93c5e038-8fe5-45b8-95cf-7a848c79c7c2.jpg" title="003.jpg.png" alt="003.jpg.png"//pp　　针对不同的电极材料及电极体系，上述基本过程可简化为锂离子电池中离子和电子的传输及存储过程。所涉及的电化学过程有电子、离子在材料的体相、两相界面和(solidelectrolyteinterphase，SEI)的形成等过程。典型的电极过程及动力学参数有：①离子在电解质中的迁移电阻(Rsol) ②离子在电极表面的吸附电阻和电容(Rad，Cad) ③电化学双电层电容(Cdl) ④空间电荷层电容(Csc) ⑤离子在电极电解质界面的传输电阻(Rincorporation) ⑥离子在表面膜中的输运电阻和电容(Rfilm，Cfilm) ⑦电荷转移(Rct) ⑧电解质中离子的扩散电阻(Zdiffusion) ⑨电极中离子的扩散(Zdiffusion)——体相扩散(Rb)和晶粒晶界中的扩散(Rgb) ⑩宿主晶格中外来原子/离子的存储电容(Cchem) 相转变反应电容(Cchem) 电子的输运(Re)。/pp　　上述基本动力学参数涉及不同的电极基本过程，因而具有不同的时间常数。典型的电池中的电极过程及时间常数如图4所示。/pp style="text-align: center"img src="https://img1.17img.cn/17img/images/201812/uepic/15e1c68c-99dc-4dd3-baf5-27e2c29a2754.jpg" title="004.jpg.png" alt="004.jpg.png"//pp　　1.6电化学极化的类型及其特征1.6.1极化的类型及其特征在施加了外来电场后，电池或电极逐渐偏离平衡电势的状态，称之为极化。在不具有流动相的电池中，存在着3种类型的极化：①电化学极化——与电荷转移过程有关的极化，极化的驱动力是电场梯度 ②浓差极化——与参与电化学反应的反应物和产物的扩散过程有关的极化，极化的驱动力为浓度梯度 ③欧姆极化——与载流子在电池中各相输运有关的极化，驱动力是电场梯度。/pp　　若还存在其它基本电极过程，如匀相或多相化学反应过程，则可能存在化学反应极化。/pp　　极化电势与平衡电势的差值的大小被称之为过电势。/pp　　1.6.2极化的影响因素各类极化的影响因素如下。(1)电化学极化的大小是由电化学反应速率决定的，电化学极化电阻(Rct)的大小与交换电流密度(io)直接相关。受多种因素影响，包括电极电位、电极电位与电解质电化学势差、反应物与产物的活度、参与电化学反应的电极的真实表面积、结晶取向、有序度、表面电导、反应温度、催化剂催化特性、电化学反应的可逆性等。/pp　　电化学极化的电流与电势在一定的电流电压范围内一般符合Tafel关系，log(i)与过电势成正比。/pp　　(2)浓差极化与传质粒子的扩散系数有关。电池中的扩散过程可以发生在电极材料内部，多孔电极的孔隙中，以及电解质相中，参与扩散的可以是多种带电或中性粒子。涉及扩散的粒子流的流量一般符合菲克扩散定律，与扩散系数及浓度梯度有关。由于电池是非均相体系，扩散系数与浓度梯度是空间位置的函数，在电化学反应的过程中，会随时间变化。传质的快慢与传质距离的平方成正比。/pp　　浓差极化过电势hcon与电流i，极限电流il的关系符合对数关系，hcon=RT/nF´ ln[(il-i)/il]。在过电势较小时，hcon=-RTi/nFil。/pp　　(3)欧姆极化的大小是由电池内部涉及到电迁移的各类电阻之和，即欧姆电阻决定的。欧姆极化过电势与极化电流密度成正比。/pp　　strong2 小结与展望/strong/pp　　电化学表征技术在锂离子电池中有着非常广泛的应用，而电化学表征方法也非常之丰富，除了文中介绍的几种方法外，还有诸如 PSCA、CPR、CITT、RPG 等。随着实际应用的需要，新的电化学表征方法，特别是与其它表征技术结合形成的各类原位测量技术，正在迅速发展。/pp　　电极过程动力学研究的目的是获得能反映电极材料本征动力学特性的参数值，例如电荷转移电阻、扩散系数、交换电流密度，膜电阻等，并掌握该参数值随不同充放电深度(嵌脱锂量)以及温度的变化，从而能够理解、模拟、预测各类工况下及充电过程中电池极化电阻、电容的变化规律。而实验室在基础研究时往往采用粉末电极，导致在不同材料之间可靠的比较动力学参数基本不可能非常精确，除非材料的尺寸、粒度分布、表面官能团、导电添加剂、粘接剂、分散度、电极厚度、压实密度、体积容量得到了精确的控制和能实现高度的一致性。/pp　　相对于手工制作的电极，自动化设备制作的电极往往具有较好的一致性，更适合用来研究电极过程动力学。在基础研究时最好采用薄膜电极、微电极或单晶电极。/pp　　对于批量生产的电池，通过比较充放电曲线，分析直流极化电阻、固定频率的交流阻抗，开路电压等，可以获得表观的动力学参数，采用这些参数通过电化学模拟软件，可以将为准确的预测电池各类工况下的荷电态、极化电阻、输出功率，成为电源管理系统软件的核心内容 。/pp　　事实上，锂离子电池涉及的电化学为嵌入电极电化学，有别于传统的电极不发生结构演化，电化学反应主要发生在电极表面的溶液电化学。电化学双电层(EDL)与空间电荷层(SCL)共存，在充放电过程中，离子将穿过 EDL 与 SCL，电荷转移往往发生在电极内部而非表面，电极为混合离子导体，电化学反应伴随着相变和内部传质，这与一般教科书上描述的的电化学反应体系、研究方法、数学模型存在显著差异，需要发展新的理论与实验方法。/pp　　span style="color: rgb(127, 127, 127) "i文章摘自Energy Storage Science and Technology（储能科学与技术），2015,4（1），（凌仕刚，吴娇杨，张舒，高健，王少飞，李泓，中国科学院物理研究所）/i/span/p

p style="text-align: center "/pp style="text-align: center "strongimg src="http://img1.17img.cn/17img/images/201806/insimg/a9849a7c-1457-4d49-ab26-81b4bbc2cb08.jpg" title="A solid polymer electrolyte film that’s being utilized in lithium batteries.jpg" width="300" height="161" border="0" hspace="0" vspace="0" style="width: 300px height: 161px "//strong/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 0, 0) "strong由Zhu博士领导的研究中锂电池上正在使用的固体聚合物电解质薄膜。/strong/span/pp style="text-align: center "span style="color: rgb(0, 0, 0) "strong图片来源：阿克伦大学。/strong/span/pp　　span style="color: rgb(255, 0, 0) "strong嵌入式医疗设备、无人驾驶飞行器、电动汽车/strong/spanstrong和span style="color: rgb(255, 0, 0) "其他类似产品/span的电源，对它们的性能至关重要。/strong/pp　　那么，如果像锂电池这种能量储存装置没有如预期工作，会发生什么呢?一辆电动或混合动力汽车将无法使用，急需的生物医学器具会耽误病人的健康。/pp　　这些都是聚合物科学教授Yu Zhu博士和其他科学家共同努力避免的后果。/pp　　Zhu的研究小组的论文题目为strongi“一种超离子导体导电的，电化学稳定的双盐聚合物电解质”/i/strong，可以在《焦耳》，细胞出版社的前瞻性期刊上浏览，该刊物涵盖各个领域的能源研究。/pp　　Zhu和他的研究团队发明了一种固体聚合物电解质，可用于锂离子电池，以替代现有的液体电解质，可提高锂电池的安全性和性能。/pp　　Zhu谈到，strong由于电极的高界面电阻和低离子导电性，固体电解质并未在锂电池领域进行市场推广/strong。然而，Zhu和他的团队发现，span style="color: rgb(255, 0, 0) "室温条件下，一种双盐基聚合物固体电解质在锂电池电极材料和超离子导体导电性方面表现出优异的电化学稳定性/span。/pp　　span style="color: rgb(31, 73, 125) "i“长期以来，人们一直考虑将固体电解质用于锂离子电池，因为它的阻燃性，高机械强度，可能会减轻电池故障造成的灾难。电池的安全性和能量密度是锂电池新兴应用领域的主要问题，比如在电动汽车中的使用。/i/span/ppspan style="color: rgb(31, 73, 125) "i　　如果固态聚合物电解质得到成功开发，电池的能量密度将会翻倍，锂电池的安全问题也会被消除。这项研究为开发具有前景的锂电池用固体电解质奠定了强有力的基础。”/i/span/pp style="text-align: right "span style="color: rgb(31, 73, 125) "本文主要作者，Yu Zhu博士/span/pp　　该研究团队已建立了一家名为span style="color: rgb(255, 0, 0) "Akron PolyEnergy/span的公司，该公司将进一步开发这种方法，并为未来的商业化目标制备一个大型原型样品。/pp　　Zhu的研究生，span style="color: rgb(255, 0, 0) "Si Li/span和span style="color: rgb(255, 0, 0) "Yu-Ming Chen/span，是这项研究的主要作者。其他科学家还有研究生span style="color: rgb(255, 0, 0) "Wenfeng Liang，Yunfan Shaospan style="color: rgb(0, 0, 0) "和/spanKewei Liu/span，以及位于校内的国家高分子创新中心仪器科学家span style="color: rgb(255, 0, 0) "Zhorro Nikolov/span博士。/p

最新中汽协数据显示，今年1-10月，我国新能源汽车产销分别完成51.7万辆和49.0万辆，同比分别增长45.7%和45.4%。业内普遍预计，今年新能源汽车产销量将超70万辆。新能源汽车市场不断发酵，新一轮动力电池之战也将愈演愈烈。 目前，锂电池技术在日渐成熟的同时，进步开始趋缓，技术验证领域的竞争也更为激烈。新电池技术的验证需要一定的时间，其研发、分析、测试也需要有更为专业的分析测试仪器以及先进的技术手段。 瑞士万通是一家全方位涉足各类不同离子分析技术的公司，旗下拥有四个品牌：“Metrohm”、“Autolab电化学工作站”、“Applikon”及“NIRsystems”。瑞士万通集团在世界各地有四十多家子公司，早在六七十年代产品就进入中国市场。其中，子公司瑞士万通中国有限公司（以下简称：瑞士万通中国）自2001年成立以来，业绩一直保持两位数增长。值得注意的是，近年火爆的电池市场为瑞士万通中国贡献了较大比例的业绩份额。目前，公司已在国内设有5个办事处、4个应用实验室、4个联合实验室、5个维修中心，销售服务网络完整覆盖国内所有省份。瑞士万通中国Autolab产品经理雷涛 在第5届锂电“达沃斯”论坛上，瑞士万通中国Autolab产品经理雷涛向中国电池网介绍，瑞士万通中国在新能源、电力领域的产品主要有卡尔费休水分仪、电化学工作站、离子色谱等，产品主要面向电池研发部门，为研究人员提供材料或成品电池的电化学性能测试。其中，电化学工作站提供的循环伏安、计时方法和交流阻抗等电化学测试技术在锂离子电池的研究中必不可少。 “Autolab电化学工作站在锂离子电池研究中的应用十分广泛，除了满足锂离子电池研究的常规应用外，还可用于电解质（固体或液体）在不同温度下电导率的自动测量、锂离子电池电极材料不同嵌锂量下扩散系数的自动测量、电池soc、soh的预估与分析等。”雷涛表示，得益于Autolab强大的Nova软件，用户可在现有测试方法的基础上编辑自己的测试方法，这大大扩展了autolab电化学工作站在锂离子电池研究中的应用。Nova软件提供的自动数据处理的功能使得研究人员可将整个测试完全自动化，实现真正的“一键式”操作。 为推动瑞士万通中国电化学技术发展，公司近期收购了Dropsens公司。雷涛称，Dropsens公司是著名的便携式恒电位仪和丝网印刷电极制造商，是微型电化学领域的标杆，其先进的便携式恒电位仪和丝网印刷电极技术将有助于瑞士万通中国在现场测试设备上有所建树。实际上，公司最新推出的946便携式 重金属快速分析仪正是采用了Dropsens这两方面的技术而研制成功的。未来，Metrohm Dropsens将在深耕微型电化学领域的同时，加强与其他产品线的技术融合，与Metrohm Autolab、Metrohm VA构成大的瑞士万通中国电化学（Metrohm electrochemistry）产品线。 雷涛特别强调，瑞士万通中国生产的每台仪器都保证100%原装进口，之所以在承受极大成本压力的情况下，仍坚持100%原装进口，为的是持续给客户提供高品质的产品和服务。 “为保证生产的每台仪器都是精良之作，瑞士万通中国有一整套成熟先进的品质控制流程。”雷涛进一步解释说，为了让仪器能够被国内客户准确而轻松方便的使用，公司一直在产品设计上追求尽量减少客户的人为操作，尽可能“一键式”操作。凭借强大的产品功能和良好的品牌口碑，瑞士万通中国成功进入catl、比亚迪和中国电力科学研究院等新能源领域主流企业供应链。 目前，中国制造业规模连续五年居世界第一，但“大而不强”，中低端产能过剩。随着动力电池工艺与设备企业高端化、国际化,智能制造成为新一轮工业革命的核心。企业目光纷纷投向电池新技术研究制造工艺,布局大规模智能制造的同时严防动力电池制造的“技术空心化”。 瑞士万通中国一直追求将最先进的制造技术和工艺应用于电化学仪器的生产和研发，无论是采用何种制造技术，终极目的是为客户提供超高品质的产品和使用体验。 雷涛认为，智能化是制造自动化的发展方向。瑞士万通中国已经在仪器制造方面引入了人工智能技术，将神经网络和模糊控制等先进的计算机智能方法应用于研发和生产调度，实现制造过程智能化。“在引入人工智能等先进技术的同时，公司仍然保留部分电极的手工制造，原因是目前手工制造仍然是最高品质的保障。” 2017年，新能源汽车市场增长趋势渐稳，跨国车企加足马力开发新能源车，电池制造商智能制造不断升级。不同电池技术研发、分析与测试领域地位日益凸显。雷涛透露，未来，瑞士万通中国将凭借在电化学领域深厚的研究基础和领先的检测技术，扩大产品的应用领域，打造具有行业影响力的产品和服务。

最新中汽协数据显示，今年1-10月，我国新能源汽车产销分别完成51.7万辆和49.0万辆，同比分别增长45.7%和45.4%。业内普遍预计，今年新能源汽车产销量将超70万辆。新能源汽车市场不断发酵，新一轮动力电池之战也将愈演愈烈。 目前，锂电池技术在日渐成熟的同时，进步开始趋缓，技术验证领域的竞争也更为激烈。新电池技术的验证需要一定的时间，其研发、分析、测试也需要有更为专业的分析测试仪器以及先进的技术手段。 瑞士万通是一家全方位涉足各类不同离子分析技术的公司，旗下拥有四个品牌：“Metrohm”、“Autolab电化学工作站”、“Applikon”及“NIRsystems”。瑞士万通集团在世界各地有四十多家子公司，早在六七十年代产品就进入中国市场。其中，子公司瑞士万通中国有限公司（以下简称：瑞士万通中国）自2001年成立以来，业绩一直保持两位数增长。值得注意的是，近年火爆的电池市场为瑞士万通中国贡献了较大比例的业绩份额。目前，公司已在国内设有5个办事处、4个应用实验室、4个联合实验室、5个维修中心，销售服务网络完整覆盖国内所有省份。瑞士万通中国Autolab产品经理雷涛 在第5届锂电“达沃斯”论坛上，瑞士万通中国Autolab产品经理雷涛向中国电池网介绍，瑞士万通中国在新能源、电力领域的产品主要有卡尔费休水分仪、电化学工作站、离子色谱等，产品主要面向电池研发部门，为研究人员提供材料或成品电池的电化学性能测试。其中，电化学工作站提供的循环伏安、计时方法和交流阻抗等电化学测试技术在锂离子电池的研究中必不可少。 “Autolab电化学工作站在锂离子电池研究中的应用十分广泛，除了满足锂离子电池研究的常规应用外，还可用于电解质（固体或液体）在不同温度下电导率的自动测量、锂离子电池电极材料不同嵌锂量下扩散系数的自动测量、电池soc、soh的预估与分析等。”雷涛表示，得益于Autolab强大的Nova软件，用户可在现有测试方法的基础上编辑自己的测试方法，这大大扩展了autolab电化学工作站在锂离子电池研究中的应用。Nova软件提供的自动数据处理的功能使得研究人员可将整个测试完全自动化，实现真正的“一键式”操作。 为推动瑞士万通中国电化学技术发展，公司近期收购了Dropsens公司。雷涛称，Dropsens公司是著名的便携式恒电位仪和丝网印刷电极制造商，是微型电化学领域的标杆，其先进的便携式恒电位仪和丝网印刷电极技术将有助于瑞士万通中国在现场测试设备上有所建树。实际上，公司最新推出的946便携式 重金属快速分析仪正是采用了Dropsens这两方面的技术而研制成功的。未来，Metrohm Dropsens将在深耕微型电化学领域的同时，加强与其他产品线的技术融合，与Metrohm Autolab、Metrohm VA构成大的瑞士万通中国电化学（Metrohm electrochemistry）产品线。 雷涛特别强调，瑞士万通中国生产的每台仪器都保证100%原装进口，之所以在承受极大成本压力的情况下，仍坚持100%原装进口，为的是持续给客户提供高品质的产品和服务。 “为保证生产的每台仪器都是精良之作，瑞士万通中国有一整套成熟先进的品质控制流程。”雷涛进一步解释说，为了让仪器能够被国内客户准确而轻松方便的使用，公司一直在产品设计上追求尽量减少客户的人为操作，尽可能“一键式”操作。凭借强大的产品功能和良好的品牌口碑，瑞士万通中国成功进入catl、比亚迪和中国电力科学研究院等新能源领域主流企业供应链。 目前，中国制造业规模连续五年居世界第一，但“大而不强”，中低端产能过剩。随着动力电池工艺与设备企业高端化、国际化,智能制造成为新一轮工业革命的核心。企业目光纷纷投向电池新技术研究制造工艺,布局大规模智能制造的同时严防动力电池制造的“技术空心化”。 瑞士万通中国一直追求将最先进的制造技术和工艺应用于电化学仪器的生产和研发，无论是采用何种制造技术，终极目的是为客户提供超高品质的产品和使用体验。 雷涛认为，智能化是制造自动化的发展方向。瑞士万通中国已经在仪器制造方面引入了人工智能技术，将神经网络和模糊控制等先进的计算机智能方法应用于研发和生产调度，实现制造过程智能化。“在引入人工智能等先进技术的同时，公司仍然保留部分电极的手工制造，原因是目前手工制造仍然是最高品质的保障。” 2017年，新能源汽车市场增长趋势渐稳，跨国车企加足马力开发新能源车，电池制造商智能制造不断升级。不同电池技术研发、分析与测试领域地位日益凸显。雷涛透露，未来，瑞士万通中国将凭借在电化学领域深厚的研究基础和领先的检测技术，扩大产品的应用领域，打造具有行业影响力的产品和服务。

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

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~

岛津原子力显微镜锂离子电池锂电池的结构由正极、负极、隔膜材料构成。 对于隔膜而言，其作用是分隔正极和负极，避免内部短路；同时，隔膜具有孔隙，可以吸附电解液使锂离子在充放电过程中可以双向通过。 目前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，原子力显微镜非常合适的观察工具。 以上三张图片是用原子力显微镜对不同制作工艺的隔膜材料进行成像的图，范围为5μm×5μm。因为原子力显微镜获得的形貌图像为三维图像，因此隔膜多孔结构可被很显著的表现出来。 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，希望隔膜可以在快速产热温度(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。 本文内容非商业广告，仅供专业人士参考。

锂离子电池作为智能手机、笔记本电脑等电子电器设备，以及电动汽车、混合动力汽车等的电源，其性能的提升一直深受行业关注。日立科学仪器作为先进的技术企业，可为锂电领域的“研发”、“制造”、“品质管理”，以及当下广泛关注的“电池回收”等产业链环节，提供从仪器到零配件再到方案等全面解决方案。1. 研发（R&D）：创新驱动，助力锂电池研发突破【背景介绍】国内新能源汽车产业经过几十年的发展，已经形成一定的产业规模并取得很大技术突破。动力电池作为新能源汽车核心部件，是新能源汽车产业发展的关键因素之一，动力电池综合性能的提升是重要的支撑。电池的化学性能、电性能、循环性能、安全性能、可靠性能等评价能力的迫切要求下，推动电池产业界在技术创新投入方面不断加码。日立科学仪器可以为锂电研发、制造、品质管理等提供电子显微镜、分析仪器产品与解决方案。【案例分享】浓度分析——原子吸收分光光度计ZA3000为了提高锂离子电池的性能，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，对某些元素的检测灵敏度低, 而且使用成本较高。分析实例：正极活性物质相关分析左：正极活性物质中的组成元素摩尔比；右：原子吸收分光光度计ZA3000日立偏振塞曼原子吸收分光光度计ZA3000系列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：正极活性物质相关分析左：钴酸锂中的锂分析；右：钴酸锂中的钴分析分析实例：电解液（电解质）相关分析左：碳酸锂中的钠分析；右：六氟磷酸锂中的钾分析2. 制造：智能制造，提升锂电池生产效能【背景介绍】锂电是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。其生产环节需要经历多道复杂工序，这对提高生产效率、提高良品率等都提出很高的要求。同时，随着锂电产业的不断升级发展，智能制造、自动化、数字化等成为锂电制造当下的发展趋势。【案例分享1】高速检出隐藏于表面之下的微米级金属异物——X射线异物分析仪EA8000A原材料中的金属异物会使电池失效，甚至发生事故。X射线异物分析仪EA8000A具备强大的X射线异物检出能力，可以高效检出20μm级微小金属异物颗粒，并对其进行元素识别。这套异物检测系统能帮助用户提高成品率、提升锂电制造工序的效率、构建工序管理并不断改进，从而有效控制异物混入情况。X射线异物分析仪EA8000A（产品来自日立分析仪器（上海）有限公司）EA8000A在锂电领域的应用【案例分享2】成分和水分测试——自动电位滴定仪COM-A19自动电位滴定仪COM-A19可以高精度地测定氢氟酸、氢氧化锂、碳酸锂等电解液中的各种成分。锂电池电解液成分浓度测定案例左：氢氧化锂和碳酸锂的测试结果案例；右：自动电位滴定仪COM-A19对于非水相体系的锂电池材料而言，水分是一个关键指标，因为它不仅会对材料的稳定性有影响，而且可能引起一系列有害的反应。在自动滴定装置上增设“水分测定单元”，可以同时测定水分含量。另外，平沼的单室电解单元由于不需要阴极液，能够降低运行成本。锂电池原料：聚氨酯硬化剂多元醇中水分含量测定案例左：测试结果案例；右：MOICO-A19与卡式蒸发炉3. 品质管理：精准监控，确保锂电池卓越品质【背景介绍】锂电产品安全性至关重要，这决定了锂电行业对产品品控和管理的高规格要求，如何在生产环节中保证锂电产品的性能稳定性、均一性等尤为重要，精准的检测技术和分析手段此时便可以发挥重要的支撑作用。【案例分享】仅需3分钟即可观察影像——TM4000Plus IITM4000Plus II是日立台式扫描电镜系列中最新的型号。样品无需前处理，从放入样品到获得图像只需要短短几分钟。从形貌观察到元素分析,以及生成报告都可以迅速完成。尤为适合各工序的锂离子电池的品质管理。 上左：EDS颗粒分析；上右：日立台式扫描电镜TM4000Plus II；下：宽范围成分图4. 回收：环保先行，推动锂电池可持续发展【背景介绍】我国新能源汽车行业在“双碳”政策引导下进入规模化快速发展阶段。在电池需求大力拉升下，镍、锂、钴等金属价格持续上涨，，锂电回收不仅复合减污降碳的政策方向，且目前全球镍、锂、钴等原生矿产资源相对稀缺。通过对废旧动力电池的循环利用，可有效解决资源枯竭问题。如何推动锂电回收产业由规模速度型向质量效益型有序化转变已经成为当下的重要命题。【案例分享】：锂电材料综合评测—SEM和AFM联动分析SÆ Mic.是指将SEM、AFM的特点功能结合使用得到综合评价。在同一视野下，对锂离子电池正极材料进行测试。将SEM得到的成分信息和AFM的SSRM像的电气特性进行匹配，得到全面的样品信息。左：SEM-AFM联合观察SÆ Mic.；右：锂电正极材料的SEM/AFM同一视野下的测评观察锂电材料，SEM和AFM联用2023年，随着新能源汽车产业进入叠加交汇、融合发展新阶段，面对全球不断壮大的发展需求，动力电池产业进入新的发展阶段，电池的安全、可控、低碳等发展方向为对应检测技术提出越来越高的要求。日立科学仪器将在锂电解决方案的开发中不断加码，在锂电领域“研究开发”、“制造”、“检测”的价值链中，提供从仪器到零配件的高端及前沿的解决方案。携手广大客户，共同为锂电升级不断赋能。欢迎垂询日立科学仪器（北京）有限公司电话：400-898-1021邮箱：contact.us@hitachi-hightech.com 欢迎扫描下方二维码，官微更多产品内容等您来看！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。

能量型锂金属电池作为下一代电化学储能技术，是电动汽车、航空航天等领域发展的基础。然而，在构建高比能锂金属电池的条件下，锂枝晶不可控生长和中间产物穿梭等问题严重制约了其产业化进程。近日，中国科学院兰州化学物理研究所环境材料与生态化学研发中心和淮阴师范学院合作，在硅基超亲电解液锂电池隔膜研究取得新进展。一种仿树叶结构的锂电池隔膜，用于解决高能量密度锂金属电池中不可控的锂枝晶生长等问题。相关论文发表于Small。据了解，课题组受树叶分级结构及其精细流体通道的启发，研究人员结合液体/温度诱导相分离和原位聚合反应，设计了一种具有分级多孔结构和离子选择性的凹凸棒石/聚合物复合隔膜。研究表明，该隔膜可有效、快速传递锂离子，同时能抑制锂盐阴离子的通过，从而实现了锂离子在锂金属负极表面均匀、定向沉积，改善了电池的界面稳定性和循环稳定性。此外，该隔膜展示了超亲电解液性能、高的电解液吸液率和保留率、良好的热稳定性和阻燃性能。研究人员将其应用于锂-硫电池和锂-磷酸铁锂电池时，在室温或高温条件下均表现出优异的循环稳定性和倍率性能等。仿树叶结构凹凸棒石/聚合物复合隔膜的制备及表征。兰州化物所供图。

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。

华洋科仪将参加于2008年6月25日至27日在天津开发区举办的第十四届国际锂电池会议,并展出最先进的多信道电化学工作站(恒电位仪)

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！

锂离子电池在首次充电过程中，电解液与负极材料发生反应在表面形成固体电解质界面膜（SEI，Solid Electrolyte Interface），并伴随产气，如氢气、二氧化碳、甲烷等。该过程属于正常产气，被称为化成阶段。当锂电池在过充放电过程时，也会异常产气，导致电池形变、封装破损、内部接触不良，从而引起安全事故。因此，准确掌握电池的产气量大小、深入了解产气规律，有助于优化电池材料体系和电解液，对电池制作工艺优化至关重要。以往，对于从软包锂电池中提取气体样本一直是一项具有挑战性的工作。传统的方法是用一根锋利的针穿透软包电池，这样可以一次性测量气体，但在此过程中会破坏软包电池。而且，这种方法不适合与多种时间、不同电压或充电状态（SoC）相关的测量，也不允许连续监测电池内部的产气过程。因此，该传统方法存在的问题是测试具有破坏性，不能用于非侵入和重复气体取样。它也没有提供一种从软包电池中提取永久性气体而不损坏它的方法。为了克服这些限制，德国明斯特大学（University of Münster）的Jan-Patrick组于2020年引入了一种气体采样端口（GSP，Gas Sampling Port）用于从锂离子软包电池中原位采集产气（DOI 10.1149/1945-7111/ab8409）。GSP是一种基于聚丙烯(PP)的套管系统，它被热封到袋箔的内层。它允许非破坏性和重复气体采样，而不会显着影响袋状电池的电化学性能。通过引入GSP，研究人员能够对软包电池内形成的气体进行原位分析。这使他们能够在不损害电池完整性的情况下研究气体的产量和组成。关于产气量的测定，作者仍然采用的是传统的“阿基米德法”。这种方法的基本原理是将软包电池悬挂于流体中，如MilliQ水中。由于软包电池受到的液体浮力会对小型薄膜测压传感器施加一个力，则传感器中应变片的变形会导致电阻变化形成电信号，然后再转化为力数据。通过阿基米德浮力公式，其产生的浮力与同体积排开的液体的重量相等，即可换算出软包电池的产气量。但此方法为间接计算产气量，操作装置较为复杂、误差较大、精度不足、重复性不足。且此方法仅能用于软包电池的产气量测量，不具有兼容方形电池、圆柱电池的广泛性。GPT-Li原位锂电池产气量测定仪采用GMC（Gas Metering Cell）超微量气体流量测量专利技术，其原理为直接将锂电池产气引入GMC测量模块，当气体流过特殊设计的流道中的惰性液体时，会产生均匀的气泡并计数累计产气量。该技术的直接测量精度可达约30 μL，且支持连续或非连续气流的测量。将该技术结合不同的接口，可实时在线连续原位监测软包、方形、圆柱等各种类型电池的产气行为，并得到如产气量、产气速率等数据。同时，GMC测量模块可直接与GC、DEMS等气体组分分析设备串联，用于进一步的气体组分分析。相较于传统的排水法（基于阿基米德浮力定律）、集气法（基于理想气体状态方程），GPT-Li可实现直接动态监测气体的微量体积变化并与气体成分分析设备进行联动分析，有助于锂电池材料研发和电芯产气机理的分析研究。