掃描電鏡在鋰電池領(lǐng)域的應(yīng)用（上）（點(diǎn)擊了解詳細(xì)信息🔎）中，我們就鋰電池顆粒 SEM 形貌表征，粒度、粒形分析等方面介紹了掃描電鏡在鋰電池領(lǐng)域的部分應(yīng)用。

這篇文章將繼續(xù)圍繞臺(tái)式掃描電鏡在鋰電池領(lǐng)域的相關(guān)解決方案，幫助鋰電制造商進(jìn)一步優(yōu)化他們的生產(chǎn)過(guò)程。

6. 電池顆粒表面包覆改性研究
正極、負(fù)極材料的性能對(duì)鋰離子電池的發(fā)展和應(yīng)用有著關(guān)鍵作用，但是其結(jié)構(gòu)相變、電導(dǎo)率低及電解液副反應(yīng)等不利因素仍制約電池性能的進(jìn)一步提高，而包覆是解決這些問(wèn)題的有效手段之一。

電池正極材料包覆可以改善其熱穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高粒子表面活性。而通過(guò)對(duì)負(fù)極進(jìn)行硅炭或硅氧包覆，可增加與電解液的相容性、減少不可逆容量、增加倍率性能。

通過(guò)離子研磨將包覆后的電池顆粒“切開(kāi)”，在飛納臺(tái)式掃描電鏡下對(duì)包覆層進(jìn)行直接觀察，是評(píng)估包覆效果的最直觀的方法。
 

· 圖 a 包覆前，b 包覆后低倍， c 包覆后高倍
· 圖 d、g 為不同包覆狀況的兩個(gè)石墨顆粒的 BSD 圖像，可以顯示原子序數(shù)襯度，可準(zhǔn)確表征硅氧材料的分布
· 通過(guò)一體化能譜探測(cè)器進(jìn)行元素 mapping 成像，圖 e、f 顯示硅氧均勻包覆在碳顆粒上；圖 h、i 顯示次顆粒應(yīng)為空包顆粒

7. 電池極片截面分析 -- 研發(fā)及工藝研究
極片的截面分析可以用來(lái)對(duì)極片厚度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算極片孔隙率，研究輥壓參數(shù)是否適當(dāng)，活性成分，導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑的分布。

極片輥壓可以壓縮電芯體積，提高電芯能量密度，降低極片內(nèi)部活物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑之間的孔隙率，降低電池的電阻提高電池性能。輥壓效果的好壞既考驗(yàn)輥壓參數(shù)，更考驗(yàn)顆粒的抗輥壓能力。

輥壓參數(shù)選擇需要適當(dāng)。若壓實(shí)太小，則極片電阻大，電池內(nèi)阻升高，壽命縮短。若壓實(shí)過(guò)大，則活物質(zhì)顆�？赡軙�(huì)被壓碎。

同時(shí)，選擇抗輥壓能力強(qiáng)的顆粒也很關(guān)鍵。圖 a 為一個(gè)輥壓案例，其中可見(jiàn)部分 NMC 二次顆粒已經(jīng)被徹底壓碎（紅圈），但也有顆粒即便壓入鋁箔內(nèi)，也未破碎（黃圈）。需要檢查材料的均勻性，或優(yōu)化混料配方。
 

為了保證電極有良好的充放電性能，在極片制作時(shí)通常加入一定量的導(dǎo)電劑，提供電子傳輸?shù)耐ǖ�。理想的�?dǎo)電劑應(yīng)該均勻分散在活性物質(zhì)之間，并與活性物質(zhì)顆粒表面緊密接觸，才可使電子能夠有效參與脫 / 嵌鋰反應(yīng)。
 

圖 b 發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電劑的分布發(fā)生明顯的大規(guī)模團(tuán)聚，勢(shì)必降低其他位置的分布濃度，影響電池性能。
 

圖 c 為飛納電鏡能譜一體機(jī)表征的電芯極片內(nèi)電極斷面的元素結(jié)果。觀察電池極片斷面涂布狀態(tài)，可對(duì)極片分散劑和添加劑的分布均勻性進(jìn)行評(píng)估。

8. 極片異物分析
在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，需要對(duì)極片進(jìn)行人工目檢或機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)檢測(cè)檢查極片質(zhì)量。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的異常都需要及時(shí)進(jìn)行分析，找出異常的根本原理，進(jìn)而對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)甚至更換原材料。

在以下案例里，用戶(hù)在輥壓后的極片表面發(fā)現(xiàn)了白色可見(jiàn)異常斑點(diǎn)（圖 a）。白斑可能會(huì)對(duì)電池的電化學(xué)性能有直接影響，但它更多地揭示了漿料的質(zhì)量問(wèn)題：均勻性或清潔度。因此，必須徹底檢查并解決這一問(wèn)題。經(jīng)過(guò) EDS 檢查，未發(fā)現(xiàn)任何外來(lái)元素。但顯示出此位置的 Ni-Co-Mn 更集中（圖 d，e，f），同時(shí)發(fā)現(xiàn) C 濃度也比較高（圖 c）。C 可能來(lái)自導(dǎo)電劑（炭黑，有時(shí)是碳納米管）或粘合劑。通過(guò) 3D（圖 g），我們可以清楚地通過(guò)飛納電鏡看到這個(gè)白點(diǎn)是凸起物。
 

綜合以上所有結(jié)果：此處并未發(fā)現(xiàn)外來(lái)異物元素。粘結(jié)劑的分布不勻引起了電池顆粒的二次團(tuán)聚或硬性沉淀，并在涂覆過(guò)程中就產(chǎn)生了一個(gè)凸起或麻點(diǎn)。輥壓的壓平過(guò)程使得此處的密度更高，因此此處能譜顯示為更高的 Ni，Co，Mn 以及 C 的集中分布。在后續(xù)的分析中，我們?cè)谕扛埠螅ㄝ亯呵埃┑臉O片表面發(fā)現(xiàn)了麻點(diǎn)，3D 分析結(jié)果顯示此處麻點(diǎn)的高度達(dá)到了 11 μm（圖 h）。

9. 充放電循環(huán)后或失效后電池顆粒晶間開(kāi)裂檢查
人們普遍認(rèn)為 NCM 或 NCA 等層狀過(guò)渡金屬氧化物正極材料的電池失效機(jī)理為：正極多晶顆粒內(nèi)部存在大量晶界，在電池充放電過(guò)程中，由于各向異性的晶格變化，多晶顆粒容易出現(xiàn)晶界開(kāi)裂。二次顆粒中形成的微裂縫導(dǎo)致阻抗增加、活性材料減少；同時(shí)，電解液滲透進(jìn)入裂縫中發(fā)生反應(yīng)，最終導(dǎo)致電池容量衰減。因此，顆粒碎裂表征成為科研工作者改善正極材料性能的切入點(diǎn)。

倫敦大學(xué)學(xué)院的 Paul R. Shearing 教授在 AEM 期刊上發(fā)表了題為“Identifying the Origins of Microstructural Defects Such as Cracking within Ni-Rich NMC811 Cathode Particles for Lithium-Ion Batteries”的文章，深入研究了裂痕出現(xiàn)的 3 個(gè)根源：

1. 絕大多數(shù)電極顆粒均存在無(wú)法忽略的原生缺陷（如前文案例 5 所述）
2. 極片輥壓引起的裂紋的擴(kuò)展，甚至壓碎（如前文案例 7 所述）
3. 循環(huán)脫嵌鋰過(guò)程中晶體收縮、膨脹引起的初級(jí)顆粒間的分離和接觸程度的下降，會(huì)造成裂紋的進(jìn)一步拓展。

下圖為飛納電鏡拍攝的不同循環(huán)階段的裂紋產(chǎn)生于拓展情況，可見(jiàn)裂紋源于顆粒的核心區(qū)域，隨著循環(huán)次數(shù)的升高逐漸向顆粒表面擴(kuò)散。電池顆粒的晶間裂紋最終引起鋰離子路徑的延長(zhǎng)甚至失效，導(dǎo)致電池容量衰減。
 

10. 全自動(dòng)清潔度分析
可自動(dòng)識(shí)別并統(tǒng)計(jì)各類(lèi)金屬異物，尤其對(duì)行業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的 Cu、 Zn 異物會(huì)著重分析，最終生成統(tǒng)計(jì)報(bào)告，對(duì)清潔度評(píng)估和金屬異物來(lái)源分析與管控有重要作用。
 

全面檢測(cè) / 評(píng)估鋰電池原材料及生產(chǎn)環(huán)境中的異物。通過(guò) Phenom ParticleX 臺(tái)式掃描電鏡全自動(dòng)掃描，可觀察到異物顆粒的形態(tài)及大小、異物顆粒的種類(lèi)及數(shù)量定性定量。納米級(jí)顆粒也毫無(wú)遺漏。

異物顆粒自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析流程設(shè)計(jì)，一鍵自動(dòng)開(kāi)始
 

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