锂电池电池原料

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。

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。

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。

锂电池是人类可再生清洁新能源发展的重要一环。我国已把“碳达峰“与”碳中和“纳入了政府重点工作计划。一方面，研究人员不断探索通过新材料、新技术增加锂离子电池的能量密度，构建新的能源存储和输出生态；另一方面，其安全性也需要在严格把控的基础上不断提高。 今年，锂电池爆炸起火的事件屡见不鲜，除了热量、穿刺等外部因素外，锂电池本身的构造也可能造成安全隐患，如负极析锂、隔膜瑕疵、极片变形等。 本文中，我们使用扫描电子显微镜（SEM）分别对电池材料的阴、阳极表面、粘合剂以及隔膜进行了观测。 01正负极 负极析锂也被认为是引发锂离子电池安全性的可能原因。在大倍率充电、低温充电，或者是电池制造中的涂布偏差等均可能导致负极中析出金属锂，由于金属锂反应活性强、容易反应产热，使得电池内化学反应发生的条件阈值降低，即电池安全性降低。 锂电池正、负极表面 02隔膜及粘合剂 隔膜瑕疵是过去被常常忽略的问题。隔膜微孔的均匀性是很难通过产品质量确认的，大部分均通过电池企业的电池成品率来确认。例如：一个微孔被堵是很难被检测出来的，但是局部隔膜孔被“堵”（也可以是局部阻抗增大）可能导致局部锂金属析出，引发安全事故。 锂电池粘合剂及隔膜 目前锂电池技术尚有不足之处，相信希望随着科学和技术的进步，未来的生活中一定会更加和谐、幸福与安宁。

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

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。

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。

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

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。

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。

近年来，随着锂离子电池产品的大量应用，锂电已日益成为我们日常最为便捷的动力来源，随之而来的锂电池安全问题也越来越受到大家的关注。锂电池的整体安全性由多种复杂的因素构成，而其中由于短路原因引起的热失控问题占到了相当的比例。锂电池的短路除了常见的外部短路外，其内部隔膜的破损也是导致其内部发生短路的重要原因之一。 在隔膜破损的种种诱因中，锂枝晶是众多分析和研究的众矢之的。锂电池在重复的充放电过程中，由于工艺、材料、过充、大电流充电、低温下充电等原因，金属锂会不可避免的析出，这些析出的锂会逐渐沉积形成锂枝晶，从而成为锂电池潜在的风险。锂枝晶有多种形态，其中树枝状的金属锂在生长、沉积的过程中，达到一定程度时会穿透隔膜，从而导致电池内部发生短路，这种短路往往会造成灾难性的后果。 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。 今天我们来介绍阿美特克锂电池材料试验解决方案第四讲——锂离子电池的强制内短路测试。锂离子电池的强制内短路测试。强制内短路测试既可以应用在18650,21700等圆柱形电池，也可以应用于方形软包电池。测试前，需要在规定环境的手套箱中对电池进行拆解，在混入模拟微小金属颗粒的标准金属镍片后对电池进行封装。在达到规定的温度和时间条件后，放置于强制内短路测试系统中以0.1mm/s的速度对电池放置镍片的位置进行施压，在匀速达到规定的压力同时，实时监测锂电池压力的变化和表面温度的变化。当观测到电压发生50mV压降或者当施压载荷达到400N（方形电池）或800N（圆柱形电池）时，停止加压并保持30s，然后撤压。如果在达到规定的压力前发生50mV压降，说明此电池未达到强制内短路测试的安全标准；如果当压力达到400N或800N而为发生电压降，说明此电池可极大程度的避免因外部颗粒原因造成内短路现象。而一套高精度的强制内短路测试系统，需要一台高精度、高采样率载荷施加系统，此系统需同时监测和记录锂电池微量的电压变化和温度变化，并可以灵活的设定试验条件以满足更为严苛的测试和研发需求。强制内短路测试系统在载荷量的施加与记录方面，LLOYD LD系列测试系统可实现0.5%读数级的载荷精度，并以1000Hz的采样率记录载荷的变化。此系统采用32位A/D转换，具有极高的力值分辨率。在达到载荷精度和分辨率的同时，其电压和温度记录也可高达250Hz，是目前业内同类测试中精度最高，采样率最高的测试系统。此系统配有防爆高低温环境箱，即可满足标准强制内短路测试的温度要求，可以变换温度模拟不同温度下的电池的力学性能研究。温箱本身达到防爆级，即使在电池发生剧烈燃烧、爆炸等情况下依然可以保障试验人员与系统的安全性，并带有主动排风系统，可将测试中电池的烟气排出，有效的保障实验室环境。锂电池的力学测试在满足强制内短路测试要求的同时，LLOYD LD测试系统还可以兼顾各种高精度的电池力学强度测试，如锂电池三点弯曲强度，抗压强度，锂电隔膜拉伸强度、延伸率测量，锂电隔膜穿刺强度,铝塑膜的拉伸和穿刺性能等。LLOYD测试系统专注于各类定制化解决方案，协助您完成更为专业的标准化和定制化测试，助力锂电产品的测试和研发。更多详细方案，请垂询AMETEK 中国区办事处或各地分销商。LLOYD材料力学试验机（LLOYD材料试验机） LLOYD（劳埃德）测试系统（LLOYD材料试验机）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（LLOYD材料试验机）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。

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

近年来，随着锂离子电池产品的大量应用，锂电已日益成为我们日常最为便捷的动力来源，随之而来的锂电池安全问题也越来越受到大家的关注。锂电池的整体安全性由多种复杂的因素构成，而其中由于短路原因引起的热失控问题占到了相当的比例。锂电池的短路除了常见的外部短路外，其内部隔膜的破损也是导致其内部发生短路的重要原因之一。 在隔膜破损的种种诱因中，锂枝晶是众多分析和研究的众矢之的。锂电池在重复的充放电过程中，由于工艺、材料、过充、大电流充电、低温下充电等原因，金属锂会不可避免的析出，这些析出的锂会逐渐沉积形成锂枝晶，从而成为锂电池潜在的风险。锂枝晶有多种形态，其中树枝状的金属锂在生长、沉积的过程中，达到一定程度时会穿透隔膜，从而导致电池内部发生短路，这种短路往往会造成灾难性的后果。 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。 今天我们来介绍阿美特克锂电池材料试验解决方案第三讲——锂离子电池涂层隔膜剥离试验。锂离子电池涂层隔膜剥离试验涂布质量的好坏直接关系到电池电性能的发挥，剥离强度试验不仅可以有效的鉴定涂布质量，显示浆料涂布强度，均匀性等指标，还可以指导涂布产线的调整，使成品更加均匀可靠。测试类似可以用180度剥离，90度剥离，可变角度的剥离等多种方式，为质控和研发提供较大的扩展空间。整套测试系统由LLOYD高精度测力传感器捕捉力值的变化，采集速率可达每秒8000点，精确捕捉力值瞬间波动量。同时，LLOYD专用NexygenPlus测控软件支持多格式数据输出，及多位置数据输出，为后续数据分析提供了极大的便利性和灵活性。LLOYD材料力学试验机（LLOYD材料试验机） LLOYD（劳埃德）测试系统（LLOYD材料试验机）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（LLOYD材料试验机）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。

如何进行锂电池性能的高低温检测？锂电池是一种新型的、性能优良的电池，目前已被广泛使用。但是，由于环境因素的影响，锂离子电池的性能存在较大的差异。因此，有必要开展锂离子电池在高、低温环境中的适应性研究。高低温适应性试验是测试锂电池在高低温环境下的适应能力的一种标准化实验方法。试验项目包括高温(55℃)、低温(-20℃)和温度循环三个部分。该实验涉及到的参数包括静置时间、充放电时间、充放电电流和电压等。1.在高温试验中，锂电池需要在55℃的环境下连续静置24小时，以测试其在高温环境下的耐热性能。在完成静置后，需要对锂电池进行一定的充电时间和放电时间，以测试锂电池在高温环境下的充放电性能。在充放电时需要注意电流和电压的控制，以免过度放电导致电池性能下降。2.在低温测试中，需要将锂电池放置于-20摄氏度以下24小时。如此一来，就可以对锂电池的耐寒性进行测试了。与此类似，在完全静止之后，还需对锂电池进行充放电，以检测其在低温环境中的充放电特性。在这一过程中，为了防止对锂离子电池的性能造成负面的影响，还必须对放电电流、电压进行严格的控制。3.以高、低温度实验为基础，进行了温度循环实验。为了检测锂离子电池在不同温度下的耐受能力，对其进行了高、低温热循环试验。在对电池进行试验时，为了确保试验结果的准确，必须对试验环境温度进行严格的控制。因此，对锂离子电池进行高、低温适应实验是对其进行综合评价的一种手段。通过本项目的研究，可以有效地评价锂离子电池在特殊环境中的适应性，为其开发与应用提供理论依据。随着科学技术的发展和产业化进程的加快，高、低温环境下锂离子电池的性能测试将会得到越来越多的应用。

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。

近年来，随着锂离子电池产品的大量应用，锂电已日益成为我们日常最为便捷的动力来源，随之而来的锂电池安全问题也越来越受到大家的关注。锂电池的整体安全性由多种复杂的因素构成，而其中由于短路原因引起的热失控问题占到了相当的比例。锂电池的短路除了最常见的外部短路外，其内部隔膜的破损也是导致其内部发生短路的重要原因之一。在隔膜破损的种种诱因中，锂枝晶是众多分析和研究的众矢之的。锂电池在重复的充放电过程中，由于工艺、材料、过充、大电流充电、低温下充电等原因，金属锂会不可避免的析出，这些析出的锂会逐渐沉积形成锂枝晶，从而成为锂电池潜在的风险。锂枝晶有多种形态，其中树枝状的金属锂在生长、沉积的过程中，达到一定程度时会穿透隔膜，从而导致电池内部发生短路，这种短路往往会造成灾难性的后果。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。 今天我们来介绍阿美特克锂电池材料试验解决方案第二讲——锂离子电池隔膜穿刺试验。锂离子电池隔膜穿刺试验锂离子电池隔膜的穿刺试验是评价隔膜抗穿刺强度的最主要方法。通过标准的探头以标准的速度穿透隔膜，捕捉穿透瞬间的最大载荷（N），除以隔膜的平均厚度（μm）即为穿刺强度（N/μm）。隔膜根据其成型工艺的不同，分为干法、湿法，而具体工艺上又有单向拉伸、双向同步拉伸，双向异步拉伸等，且根据其表面涂布材料的不同，每种膜表现出的抗穿刺性能会有很大的区别。如何能在快速的穿刺中更为准确的测算力值，精确地捕捉到穿刺瞬间的峰值，分辨出细微载荷量的变化，并保证一个较高的测试重复性是诸多隔膜厂家和用户面临的难点。在解决以上问题的同时，如何提高测试的效率是诸多厂家需要兼顾的问题。LLOYD气动穿刺治具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。该治具采用稳压气缸升降，可快速、高效的固定隔膜，且保证均一、稳定的夹紧力；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，可通过手动或脚踏开关快速操作完成夹持或换位，夹持完毕后，只需按动手控盒的开始键即可快速开始试验，高效的完成5点或多点穿刺测试。LLOYD 10次穿刺试验叠加效果值得一提的是，LLOYD测试系统读数级的测试精度可更为准确的测量真实力值；高达8000Hz的数据采样率保证了真实峰值的捕捉，使测试结果无限接近于最高峰值；常规单柱机型最小分辨率可达0.00005N，能够有效的分辨出细微力值的变化和材料的区别；为材料科研和质量控制提供有力的保障。LLOYD 5点全自动穿刺测试系统在不断改善测试应用的同时，LLOYD 5点全自动穿刺系统的开发更为测试量巨大的用户提供了更为便捷、高效的测试手段。一次夹载后LLOYD系统可以自动完成5点全自动穿刺，并计算均值，更大程度的解放了用户的双手和操作时间，使一套高精度测试系统完成几倍的测试工作量，深受用户喜爱。LLOYD材料力学试验机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。

“我们已经与中科院上海微系统与信息技术研究所签订合作协议，在金华成立以动力和储能锂离子电池相关课题研发为主的联合实验室，首期合作三年，全面提升金华汽摩配产业在动力研究方面的话语权。”昨天，浙江南博电源科技开发有限公司董事长陈庆武告诉记者，该公司的锂电池产品已经通过中试鉴定。　　南博公司成立于2006年，在国家有关科研院所的技术指导下，从事研发、生产锂离子动力电池科技型新能源产品。　　据了解，目前我国汽车产销量已达1300万辆。到2020年中国汽车保有量肯定要突破2亿辆，油品供应问题将非常突出。除了电动汽车，没有其他更有效的解决方案，因此电动汽车产业化发展已经列入国家“十二五”规划中。陈庆武告诉记者：“金华有青年、众泰、康迪、绿源、金大等多家整车制造厂，2009年锂电池市场需求已经超过9000万元，今年还要翻番。南博公司将投入1.8亿元资金，专门用于生产锂电池，加强产业化技术和工艺的研发。”　　浙江力霸皇工贸集团副总经理李家亮，对锂电池的好处如数家珍。锂电池重量只有2.5至5公斤，是普通电池重量的1/4，使用寿命却为铅酸电池的3~5倍，锂电池电动车顺应了国家的环保要求，是我市电动车产业可持续发展的必然选择。浙江金大车业有限公司总经理章小理告诉记者，我市电动车产业发展路线一直采用跟随战略，虽然具备整车优势，但在新能源领域，是否能够摆脱跟随路线，逐步向领导者行列跨进，锂电池技术将成为关键突破口。如果南博公司能将电动车锂电池从目前的1200元降到800元，将改变金华电动车行业在国内的竞争格局。

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

从2010年开始，随着新能源、3C电子和电动工具等领域的快速发展，对锂电池的需求量与日俱增，越来越多的企业投身于锂电池的生产制造，据统计，2015年我国动力电池装机总量为16.5GWh，2022年提高到296GWh。随着时间的推移，使用过程中电池的性能会逐渐衰减，直至报废，目前动力锂电池的平均使用寿命约为4-8年，因此从2018年开始，前期使用的锂电池已开始陆续退役，废旧电池的处理和回收规模后续将越来越大，据估计，2019-2025年我国退役动力电池装机总量预计将由0.2GWh上升至52.0GWh。对于废旧锂电池，目前主要有两种处理方法，一是梯次利用，即将退役电池用在储能等其他领域，这主要针对磷酸铁锂电池；二是拆解回收，即将退役电池进行放电和拆解，提炼原料，从而进行循环利用，有效节约生产成本，三元电池目前以拆解回收为主。回收的主要方法有火法冶金、湿法冶金和生物浸出等，其中湿法冶金回收率较高，日益成为锂电池回收的主要工艺方法。商用锂电池通常由塑料或金属外壳、正极（Al箔上的锂金属氧化物）、负极（Cu箔上的石墨）、电解液（LiPF6、DMC、EC、EMC等）、粘接剂（如PVDF）和隔膜组成，回收的主要目标是正极上的有价金属，如锂、钴、镍。但是，电池废料中的有毒物质在回收预处理过程中排放的废气和导致的潜在危险是一个需要考虑的严重问题。了解电池材料在热解过程中产生的废气种类，有助于选择合适的废气处理措施，降低相关的风险，优化回收工艺。本文以废旧三元电池为例，介绍热质联用方法分析拆解电池极片在热解过程中产生的逸出气体。先将废旧电池进行放电处理，然后在手套箱中拆解，拆出正极片，晾干后进行真空包装。测试仪器为STA-QMS，测试前在空气下打开包装，快速称量样品，放入坩埚，然后放入炉腔内，通入Ar吹扫，将炉腔内的气氛置换为纯净的惰性气氛，以10K/min从35℃升温到700℃，Ar气氛，质谱采用扫描模式，从1amu扫描到120amu。下图为正极片的失重及质谱信号（质谱信息较多，所以分成4张图显示），样品的失重过程主要分为3个阶段，失重量分别为3.62%、2.13%和3.09%。根据质谱的检测结果，第一个阶段的气体产物比较复杂，跟NIST谱库对照后，判断逸出气体可能为H2（m2）、H2O（m18）、HF（m19）、CxHy（m14、m15、m16、m26、m27、m29、m30、m42）、C2HF（m31、m44）、C2H2F（m44、m45、m46）、C3H4O3（m29、m43、m88）、POF3（m69、85、104），第二阶段产物相对简单，逸出气体可能为H2O（m18）、C2H6O（m15、29、45、46）和CO2（m44），第三阶段的逸出气体可能为O2（m16、m32）、CH3F（m33、m34）、CO2（m22、m44）和C2H2F（m44、m45、m46）。通过以上分析可知，200℃以下产生的含氟气体主要来源于电解液，除此以外还有溶剂挥发产生的烃类、酯类物质、及水（游离水或结合水）和氢气，200℃-380℃之间，气体产物主要为水（反应水）、溶剂分解产生的醚类气体和CO2，380℃-700℃间主要为PVDF分解的产物，气体产物为CO2及一些含氟气体，O2可能来源于正极活性物质的分解。利用热质联用可以对极片样品在整个热解过程中的气态产物进行连续检测，从而可以分析极片热解的演变过程，了解气体释出过程和气体类型，为电池回收工艺提供理论基础和指导。热质联用测试正极片分解1热质联用测试正极片分解2热质联用测试正极片分解3热质联用测试正极片分解4作者王荣耐驰仪器公司应用实验室

p　　日本朋友来家里做客时，时常谈到中国汽车业的未来，特别是电动汽车近年来在中国的大发展。br//pp　　“中国人喜欢买‘特斯拉’吗?”日本朋友常常会问。于是我就带他们下楼站在北京五道口的街边数“特斯拉”，基本是过不了几分钟就会有一辆驶过。/pp　　日本朋友于是惊叹，北京的“特斯拉”拥有量一定超过东京了!当然，我还会告诉他们，中国电动汽车市场的未来增长点，不仅在于美国生产的“特斯拉”，更在于许许多多蓬勃生长的本土品牌。/pp　　中国电动汽车市场的规模和增长潜力，也被相关日本企业看在眼里。电动汽车里的一个关键部件，就是锂电池，而锂电池，正是日本企业的强项。锂电池技术在日本发展较早，日企因此在锂电池电解液和正负极等金属材料方面拥有多项专利，在观察检测锂电池纯度的电子显微镜和锂电池回收上，拥有丰富的经验。这让他们嗅到了在中国市场巨大的商机。/pp　　比如，锂电池对材料纯度要求极高，其中如果混入了金属碎屑，就有可能发生电池着火、爆炸的情况。而一旦发现异物，就需要立即停止生产，汽车电池的生产规模巨大，停产就意味着企业面临数百万元甚至数千万元的经济损失。因此，电动汽车企业需要用精度很高的电子显微镜进行严格检测，以防上述情况的发生。/pp　　以生产领先的电子显微镜知名的日立高新技术公司于是在今年3月直接斥资在上海开设了“日立高新技术科学园”，主打电子显微镜并配备多种相关分析仪器，未来瞄准中国市场的意图非常明确。/pp　　随着电动汽车的普及，还会有大量的废弃锂电池需要回收，这里面也蕴藏着巨大的商机。/pp　　日本三菱材料公司过去一直以生产铜、铅著称，目前也开始把重心转移到锂电池回收的研发上来。另外一家以生产相机知名的日本企业富士胶片，也具有电池回收的相关技术，正在积极寻找来中国合作的机会。/pp　　日本的日产汽车更在2018年2月宣布，计划在中国投资600亿元直接生产电动汽车。/pp　　日本企业都非常清楚，未来世界最大的电动汽车市场一定在中国，汽车用锂离子电池生产中心也在这里。/pp　　日立高新技术公司中国事业集团先端分析装置部部长郑艺花说：“我们已经看到，中国的论文发表量超过了日本，仅次于美国，居全球第二位，这表明中国在很多研究领域已经是全球领先水平。所以我们的侧重点也在改变——原先中国只是一个为客户提供产品和解决方案的市场，未来中国会成为前沿产品的研发中心，引领技术变革。”/ppbr//p

p　　随着近些年新能源汽车、数码电子产品等锂离子电池应用领域的大力发展和推广，锂离子电池市场迅猛发展，预计2020年全球锂离子电池市场规模有望达到4500亿元。/pp　　相比于传统的镍氢电池，铅酸电池来说，锂离子电池具有能量密度高，无记忆效应，环境污染小等特点。/pp　　锂离子电池的主要材料有正负极、电池隔膜、电解液，这也是锂电池目前研究的热点领域和对象。其中在电极的制备过程中，锂电池浆料的性质，尤其是浆料的流变特性对最终电池的储电性能具有很大程度上的影响。/pp　　锂离子电池浆料含有活性材料及多种非活性物质，通过将其涂覆于金属集流体上来制备锂离子电池的电极。/pp　　锂离子电池中需要添加各种导电剂和粘结剂以形成导电网络，颗粒聚集在浆料中产生不均匀性，会导致复合电极中出现裂纹和空隙，使电子通路出现中断，从而影响电池性能。因此，制作分散均匀的、稳定的浆料成为重中之重。/pp　　锂离子电池浆料多为黑色不透明粘性流体或胶体状态，肉眼无法直接观测到分散是否均匀，不同分散状态的浆料又有着不同的粘度趋势。因此，流变特性是分析锂离子电池浆料分散状态的重要手段。/pp　　流变仪可在接近真实加工条件下，对样品在力、热作用下的行为进行研究，如样品的流动特性、加工过程中的结构变化、降解及混合质量等性质。锂离子电池浆料的流动特性与固含、搅拌工艺及加料顺序等都有很大的关系。另外，浆料的粘度和沉降稳定性也会对后续的涂布过程产生影响。/pp　　多项研究表明，锂电池的性能与浆料的粘度、添料次序、浆料固含、混合工艺、粘结剂种类、导电剂种类、溶剂种类、添加剂种类有关，且它们均是通过影响锂电池浆料的流变特性而影响最终的重放电性能。在体系相同的情况下，浆料的表观粘度基本与浆料的分散情况相关，浆料的分散程度越好，浆料的表观粘度越低。/pp　　制作分散均匀而稳定的浆料已成为提高锂离子电池性能的重要手段，流变仪则已成为锂电池开发研究过程中不可或缺的仪器。/p

作者：RenataLewandowska,MiyokoOkada,TomokoNumata翻译：文军锂离子电池成就的奇迹谈起新能源汽车，就不得不说美国的“特斯拉汽车公司”，目前其打造的纯电动车采用为先进的锂离子能量存储，理论上48万公里行驶后电池衰减比例仅有5%。而其所配备的能量再生制动系统则可在车子减速时为锂离子电池组充电，使得车子在行走途中就可获得能量的补给。特斯拉MODEL 3可以说锂电池技术的发展不仅将特斯拉的新能源汽车变成了现实，创造了奇迹，更成就了特斯拉汽车公司CEO埃隆马斯克成为继乔布斯外第二个全球科技狂人。2017年5月9日，《时代》杂志发布了2017年“科技领域有影响的20人”榜单，埃隆马斯克上榜。随着对动力需求的不断增长和日趋复杂化，如何提高锂离子电池的性能始终是锂电池领域各厂家致力于突破的一个非常重要的课题。令人欣喜的是，激光拉曼光谱技术被越来越多的研究人员用于该领域的探索和突破。这种非接触的快速分析技术，能够直接分析材料中的结构变化，而不对材料产生影响。拉曼光谱技术已经被用作锂电池在充放电循环过程中的实时的原位分析，从而实现标准分析，包括材料结构和电子属性、耐久性，以及自动质量控制测试等。此外，新的研究还表明：拉曼光谱可以用于研究这些电池生命周期的各个阶段，诸如复杂体系中的新材料的表征、故障分析等。因篇幅有限，今天，本文重点为您揭示显微拉曼光谱在锂电池充放电过程中对正材料和负材料是如何进行分析的。 ▎如何分析?锂离子电池充放电过程中，锂离子经由电解液在两电之间穿梭，会带来两个电材料的结构变化。理想状态之下，这些变化都是可逆的。但是在实际情况中，充放电过程会给电池的正负电造成某些不可逆转的变化。那么它们的变化是怎样的？让我们通过拉曼光谱的“正分析”与“负分析”一窥究竟吧。01正分析锂离子电池常用的正材料是层状的锂钴氧（LiCoO2，LCO）材料。在充放电过程中，锂离子在层状的氧化钴八面体结构中重复地进行着插入—脱出过程。研究表明，电池过放电会导致氧化钴层的不可逆转的分解，成为氧化钴(CoO)和氧化锂(Li2O)；而电池过充电则会导致LiCoO2转变成二氧化钴（CoO2）。所有这些变化都可以利用拉曼光谱进行观察。如下图1所示，拉曼光谱特征峰（橙色）属于锂钴氧正，而拉曼光谱谱线（红色）显示出了属于二氧化钴（CoO2）的特征峰。图1.正材料中有无CoO2的光谱区别.下图2是经历了一次充放电循环过程后，正材料的拉曼成像结果，拉曼成像清楚显示出了二氧化钴（CoO2）的存在，佐证了电池发生过充。图2. 经历了一次充放电循环过程后的锂钴氧正材料的拉曼成像蓝色对应非晶态碳，橙色对应锂钴氧，红色点对应不同浓度二氧化钴除了上述佐证正材料过充现象的存在，研究人员还利用拉曼光谱去寻找和研究新的正材料，比如不同种类的锂-过渡金属混合氧化物，如Li(Ni, Mn, Co)O2，LiMn2O4，这是目前研究的热点材料。这些材料各自具有不同的拉曼光谱特征峰，如下图3所示，拉曼光谱可为新型电材料研究提供技术支持。图3. LiCoO2、Li(Ni, Mn, Co)O2，LiMn2O4，Li2TiO3的拉曼光谱图02负分析锂离子电池常用的负材料是石墨，经过反复充放电循环以后，石墨电会发生退化。在石墨的拉曼光谱中，D峰和G峰的相对强度ID/IG比值与石墨电结构的损坏有着密切的关系。随着石墨电结构的退化，D峰的强度不断增加。在下图4中我们可以看出相对强度的变化。图5的拉曼成像中，可以清楚地看到石墨电结构的变化。图4. 具有不同相对比值ID/IG的石墨正材料的拉曼光谱图5. 石墨负经历一个充放电循环之后的拉曼成像：蓝色区域对应于缺陷较少的石墨，深蓝色区域对应于缺陷较多的石墨，橙色区域对应于树脂粘结剂。 ▎总结和展望由于拉曼光谱能够应对锂离子电池各类研发的需求，并满足在线自动质量控制的要求，因而借助拉曼光谱的探索，锂离子电池必将能够发挥出更大的“能量”。如果您对本文案例感兴趣，欢迎您点击识别下方二维码索取详细文章。 在下一篇文章中，我们将为您介绍拉曼光谱在锂电池充放电过程中对电解液如何进行分析，带您了解该项技术的其他应用，欢迎您的关注。手机识别二维码 阅读原文后，小编欢迎您留言说说看，您身边的锂电池应用都有哪些？特斯拉你已经开起来了吗？ ▎延伸阅读R. Baddour-Hadjean and J.-P. Pereira-Ramos, Chem. Rev., 110 (2010)1278–1319.V. A. Sethuraman, L. J. Hardwick, V. Srinivasan, R. Kostecki, Journal of Power Sources, 195 (2010) 3655–3660.R. Kostecki, J. Lei, F. McLarnon, J. Shim, K. Striebel, J. Electrochem.Soc., 153 (2006) A669-A672.R. Kostecki, X. Zhang, P.N. Ross Jr., F. Kong, S. Sloop, J.B. Kerr, K.Striebel, E. Cairns, F. McLarnon, F., report LBNL-48359, DOI:10.2172/861953.Paul Scherrer Institute, http://www.psi.ch/lec/electrochemical-energy-storage.Berkley Energy Storage & Conversion for Transportation and Re-newablesProgram, http://bestar.lbl.gov/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。

2019年6月28日，TESCAN联合珀金埃尔默公司，首度举办了“锂电池检测专题”网络研讨会，来自全国各地的155位专家和技术人员参加了本次网络研讨会，对锂电池的检测标准、分析手段、综合评估等做了深入的剖析和交流，大家在会上展开了热烈的讨论。珀金埃尔默的原子光谱资深应用工程师陈观宇老师介绍了锂电池正极材料主量元素、负极材料掺杂元素以及电解液的分析方法，例举多个实际案例对分析方案进行了详细说明、介绍了实践中要注意的操作要点，并通过实际的结果比对来进一步阐述Avio系列ICP产品主量元素0.1%超凡稳定性的独特优势，以及ICP-MS在杂质元素分析上的特点和方案。除此之外，陈观宇老师还形象地讲解了GC-MS、红外光谱、热重分析等多种类型检测方法在锂电行业的综合应用。图1 珀金埃尔默Avio系列等离子体光谱仪图2 珀金埃尔默Nexion系列等离子体光谱仪图3 珀金埃尔默气质联用仪检测浓度为100 μg/mL的11种碳酸酯色谱图图4 用于原材料检验的珀金埃尔默便携式高性能红外光谱仪及红外显微镜系统图5 珀金埃尔默热分析仪检测电池原材料的热稳定性评价曲线本次会议还特邀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，来会上对动力电池关键材料检测现状做了详细的分析和报告，报告密切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，内容详实、引人入胜。TESCAN公司的资深应用工程师张芳女士介绍了新颖的以扫描电镜为平台组建的综合微分析系统在锂电池正负极材料以及隔膜材料微观表征中的应用，以及使用X射线显微镜完成电池的三维无损分析，实现从宏观到微观的整体观测。图6 正极材料的表面形貌图7 正极材料的截面图8 锂元素的检测图9 负极材料石墨化/非晶化分析图10 负极材料析锂分析图11 电池的内部结构的三维成像 本次网络专题讨论会是TESCAN公司和珀金埃尔默公司首度联手，从不同角度和使用不同的分析手段对锂电池检测进行系统、完整的分析和介绍，进而为广大的用户群提供综合有效的结果方案。珀金埃尔默公司和TESCAN公司都有各自擅长且独特的解决方案，此次携手合作，势必为多个领域的用户群体提供更多的前沿分析技术和专业的行业解决方案。

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。

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。

最近，国内成品油价一直在变动，成为街头巷尾的谈资。与此同时，锂电池作为新能源汽车的动力来源行业也面临材料价格上涨，相关话题频上热搜。受益于新能源汽车行业飞速发展，锂电池新材料的研究也愈发火热。其中，全固态锂离子薄膜电池由于安全性更高等优点，日益受到重视。薄膜型全固态锂电池是在传统锂离子电池的基础上发展起来的一种新型结构的锂离子电池。其基本工作原理与传统锂离子电池类似，即在充电过程中Li+从正极薄膜脱出，经过电解质在负极薄膜发生还原反应；放电过程则相反。过程中电解质起着至关重要的作用，直接影响到薄膜电池的充放电倍率、循环寿命、自放电、安全性以及高低温性能。以某个全固态薄膜锂电池生产试验线的实际应用为例：兰格某客户在电解质试验工艺中，需要三个泵为一组，在不同的时间点输送试剂，一个小时为一个循环，一天连续工作8小时。挑战对于这种复杂的进样体系，常规的实验室人工管理显然无法满足要求，需要使用PLC、电脑等实现设备的自动化管理。对于常规的化学、材料实验室，这就大大增加了试验的难度，需要通过自动化工程来完成。尤其，研究人员想要随时改变实验参数，也难以灵活实现。兰格解决方案对于实验的过程进行模块化分解，兰格智能型蠕动泵可提供9种运行控制模块（匀速、匀加速、匀减速、阶梯加、阶梯减、正弦、均匀分配、减量分配、增量分配）和8种逻辑控制模块（方向、暂停、循环、事件触发、延时、跳转、外控输出、结束）。研究人员可以像搭建乐高积木一样，来使用智能蠕动泵。例如上述的电解质试验工艺，兰格智能泵程序可以做如下设定：更多优势：如果研究人员需要改变其中的步骤，只需插入或删除相应模块即可。如果要修改某个模块的运行参数，直接进入模块进行修改即可。同时整个工作过程可以保存为方法，在后续的试验中可以直接调用。新能源车行业是我国战略性新兴产业，而且锂电池和5G、化学储能、碳中和等等也都息息相关，未来仍将有“锂”走天下。兰格智能蠕动泵应对不同需求，可提供多种运行/逻辑控制模块的灵活选择，助力科学家与工程师实现更便捷的操作，提高有效性、可靠性和智能体验，为全球碳中和事业作出贡献！

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+

从锂电池溢出气体到微反系统，定性定量检测系统的气体组分含量以及系统总的气体体积，在很多时候都是一件很难实现的任务：取样困难，取样时取样量占总体积的比列无从得知，这样即便对所取的气体进行了严格的定量测定，最终也无法和整个系统的气体总量关联起来。这个时候，一套真空进样系统就可以在这些场合大显身手了。在专业的气体分析色谱仪和气质联用仪的基础上，使用全自动控制的真空进样系统，就可以实锂电池溢出气体，微反系统气体的气体含量的测定，而且可以根据真空度的变化计算出系统的总体积以及标准的取样体积，从而可以进一步计算出电池溢出气体的总体积、微反系统生成或消耗的气体的总量，进而可以通过这些测量值判断电池的质量、微反系统的效率。珀金埃尔默推出专业气体分析仪——带有真空进样系统的气相色谱质谱联用仪，是市场上唯一一套能定性定量测定电池溢出气和微反装置中的氢气、氧气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等轻质杂质气体、气体总体积以及气体中其它挥发性组分。珀金埃尔默锂电溢出气体或微反气体分析仪轻质气分析仪包含两个分析通道：通道1 使用氮气作为载气来全量程分析氢气、氦气。通道2 用于分析氯气中的氧气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、碳二、硫化氢和COS等轻质杂质气体。气质联用仪可以定性定量分析气体中其它非永久性气体。真空进样系统：可以和轻质气分析仪联用，和气质联用仪联用，或者和这两者同时使用。#该系统具有以下特点：超越ASTM D1946用气相色谱法对重整气的分析规程标准要求。出厂设置即经确认验证，名符其实的“交钥匙”工程（气相色谱解决方案）。安装完成后立即可运行样品分析分析样品，获得快速且可靠的分析结果。材料超坚固且耐腐蚀，具备放空功能以杜绝操作失误带来的风险。专用色谱柱填料，确保分析的同时氯气被完全反吹放空，延长仪器使用寿命。24H/7D全天候全自动运行，也可以按设定时间表运行。真空进样系统可以用于极其微量气体的定性定量测定，对于1-5ml的系统可以进行连续多次测定。欲了解详情，请扫描二维码，获取资料《锂电溢出气体或微反气体分析仪：微量气体的定性定量检测》。扫描上方二维码即可下载右侧资料➡

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。