鉅大LARGE | 點擊量：910次 | 2021年08月29日
全面介紹鋰離子電池材料技術(shù)
由于鋰金屬的化學特性非?；顫?，使得鋰金屬的出產(chǎn)、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)成為了主流，并在新能源范疇廣泛被使用在汽車電子以及電子設(shè)備上。本文緊要針對鋰離子電池材料上的常見探測辦法進行闡述，希望能幫助大家更滲透理解鋰離子電池！
最直觀的結(jié)構(gòu)觀察：掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）
1．掃描電鏡（SEM）
由于電池材料的觀察尺度在亞微米即幾百納米到幾微米的范圍，一般光學顯微鏡無法滿足觀察的需求，而更高放大倍數(shù)的電子顯微鏡則常常被用來觀察電池材料。
掃描電子顯微鏡（SEM）是1965年發(fā)明的較現(xiàn)代的細胞生物學研究工具，緊要是利用二次電子信號成像來觀察樣品的表面形態(tài)，即用極狹窄的電子束去掃描樣品，通過電子束與樣品的相互用途出現(xiàn)各種效應(yīng)，其中緊要是樣品的二次電子發(fā)射。掃描電子顯微鏡可以觀察到鋰電材料的粒徑大小和平均程度，以及納米材料自身的特殊形貌，甚至通過觀察材料在循環(huán)過程中發(fā)生的形變我們可以判斷其對應(yīng)的循環(huán)保持能力好壞。如圖1b所示，二氧化鈦纖維具有的特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能供應(yīng)良好的電化學性能。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖1：（a）掃描電鏡（SEM）的結(jié)構(gòu)原理圖；（b）SEM探測得到的圖片（TiO2的納米線）
1．1SEM掃描電鏡原理：
如圖1a所示，SEM是利用電子束轟擊樣品表面，引起二次電子等信號的發(fā)射，緊要利用SE并放大、傳遞SE所攜帶的信息，按時間序列逐點成像，顯像管上成像。
1．2掃描電鏡的特點：
⑴圖象立體感強、可觀察一定厚度的樣
⑵樣品制備簡單，可觀察較大的樣
⑶辨別率較高，30～40?
⑷倍率繼續(xù)可變，從4倍～～15萬
⑸可配附件，進行微區(qū)的定量、定性分解
1．3觀察對象：
粉末、顆粒、塊狀材料都可以探測，探測前除保持干燥外，不要特殊解決。緊要用于觀察樣品的表面形貌、割裂面結(jié)構(gòu)、管腔內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)等?？芍庇^反應(yīng)材料的粒徑尺寸特殊結(jié)構(gòu)及分布情況。
2．TEM透射電子顯微鏡
圖2：（a）TEM透射電鏡的結(jié)構(gòu)原理圖；（b）TEM探測照片（Co3O4納米片）
2．1原理：
緊要利用入射電子束穿過樣品，出現(xiàn)攜帶樣品橫截面內(nèi)部的電子信號，并經(jīng)多級磁透鏡的放大后成像于熒光板，整幅像同時成立。
2．2特點：
⑴樣品超薄，h＜1000?
⑵二維平面像，立體感差
⑶辨別率高，優(yōu)于2?
⑷樣品制備復雜
2．3觀察對象：
在溶液中分散的納米級材料，使用前要滴在銅網(wǎng)上，提前制備并保持干燥。緊要觀察樣品內(nèi)部超微結(jié)構(gòu)，HRTEM高辨別透射電鏡可以觀察到材料對應(yīng)的晶格和晶面。如圖2b所示，觀察二維平面結(jié)構(gòu)具有更好的效果，相有關(guān)SEM的立體感差，但可以具有更高的辨別率，觀察到更纖細的部分，，特殊的HRTEM甚至可以觀察到材料的晶面和晶格等信息。
3．材料晶體結(jié)構(gòu)探測：（XRD）X射線衍射儀技術(shù)
X射線衍射儀技術(shù)（X－raydiffraction，XRD）。通過對材料進行X射線衍射，分解其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。X射線衍射分解法是研究物質(zhì)的物相和晶體結(jié)構(gòu)的緊要辦法。當某物質(zhì)（晶體或非晶體）進行衍射分解時，該物質(zhì)被X射線照射出現(xiàn)不同程度的衍射現(xiàn)象，物質(zhì)組成、晶型、分子內(nèi)成鍵方式、分子的構(gòu)型、構(gòu)象等決定該物質(zhì)出現(xiàn)特有的衍射圖譜。X射線衍射辦法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)勢。因此，X射線衍射分解法作為材料結(jié)構(gòu)和成分分解的一種現(xiàn)代科學辦法，已逐步在各學科研究和加工中廣泛使用。
圖3：（a）鋰電材料的XRD光譜；（b）X射線衍射儀的原理結(jié)構(gòu)圖
3．1XRD原理：
X射線衍射作為一電磁波投射到晶體中時，會受到晶體中原子的散射，而散射波就像從原子中心發(fā)出，每個原子中心發(fā)出的散射波類似于源球面波。由于原子在晶體中是周期排列的，這些散射球波之間存在固定的相位關(guān)系，會導致在某些散射方向的球面波相互增強，而在某些方向上相互抵消，從而出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。每種晶體內(nèi)部的原子排列方式是唯一的，因此對應(yīng)的衍射花樣是唯一的，類似于人的指紋，因此可以進行物相分解。其中，衍射花樣中衍射線的分布規(guī)律是由晶胞的大小、形狀和位向決定。衍射線的強度是由原子的種類和它們在晶胞中的位置決定。通過布拉格方程：2dsinθ＝nλ，我們可以獲得不同材料通過使用固定靶材激發(fā)的X射線在特殊θ角位置出現(xiàn)特點信號，即pDF卡片上標注的特點峰。
3．2XRD探測特點：
XRD衍射儀的適用性很廣，通常用于測量粉末、單晶或多晶體等塊體材料，并擁有測試快速、操作簡單、數(shù)據(jù)解決方便等優(yōu)勢，是一個標標準準的“良心產(chǎn)品”。不僅僅可用于測試鋰電材料，大部分晶體材料都可以采用XRD探測其特定的晶型。圖3a為鋰電材料Co3O4所對應(yīng)的XRD光譜，圖上依據(jù)對應(yīng)的pDF卡片標注了該材料的晶面信息。該圖黑色對應(yīng)塊體材料結(jié)晶峰窄且高度分明，說明其結(jié)晶性很好。
3．3探測對象及樣品準備要求：
粉末樣品或表面平整的塊狀樣品。粉末樣品要求磨勻，樣品表面要鋪平，減小測量樣品的應(yīng)力影響。
4．電化學性能（CV）循環(huán)伏安法和循環(huán)充放電
鋰離子電池材料屬于電化學范圍，因而對應(yīng)的一系列電化學探測必不可少。
CV探測：一種常用的電化學研究辦法。該法控制電極電勢以不同的速率，隨時間以三角波形一次或多次反復掃描，電勢范圍是使電極上能交替發(fā)生不同的還原和氧化反應(yīng)，并記錄電流－電勢曲線。依據(jù)曲線形狀可以判斷電極反應(yīng)的可逆程度，中間體、相界吸附或新相形成的可能性，以及偶聯(lián)化學反應(yīng)的性質(zhì)等。常用來測量電極反應(yīng)參數(shù)，判斷其控制步驟和反應(yīng)機理，并觀察整個電勢掃描范圍內(nèi)可發(fā)生什么反應(yīng)，及其性質(zhì)要怎么樣。有關(guān)一個新的電化學體系，首選的研究辦法往往就是循環(huán)伏安法，可稱之為“電化學的譜圖”。本法除了使用汞電極外，還可以用鉑、金、玻璃碳、碳纖維微電極以及化學修飾電極等。
循環(huán)伏安法是一種很有用的電化學研究辦法，可用于電極反應(yīng)的性質(zhì)、機理和電極過程動力學參數(shù)的研究。有關(guān)一個新的電化學體系，首選的研究辦法往往是循環(huán)伏安法。由于受影響因素較多，該法一般用于定性分解，很少用于定量分解。
圖4：（a）可逆電極的CV循環(huán)圖；（b）電池的恒電流循環(huán)充放電探測
恒電流循環(huán)充放電探測：鋰電材料組裝成相應(yīng)的電池之后，要進行充放電進行循環(huán)性能的探測。充放電過程常常采用恒電流充放電的方式，以固定電流密度進行放電和充電，限制電壓或比容量的條件，進行循環(huán)探測。試驗室常用的有武漢藍電和深圳新威兩種探測儀，設(shè)置簡單的程序后，即可探測電池的循環(huán)性能。圖4b為一組鋰電材料組裝電池后的循環(huán)圖，我們可以看到黑ulk材料對應(yīng)可以循環(huán)60圈，紅色NS材料可循環(huán)超過150圈。
小結(jié)：鋰離子電池材料的探測技術(shù)有很多，最為常見的有上述的SEM，TEM，XRD，CV和循環(huán)探測等。另外還有拉曼光譜（Raman），紅外光譜（FTIR），X射線光電子能譜（XpS），以及電鏡附件部分的能譜分解（EDS），電子能量損失譜（EELS），判斷材料粒度及孔隙率的bET比表面積探測法。甚至有些時候還能用到中子衍射和吸收譜（XAFS）等表征手段。
近30年時間內(nèi)，鋰離子電池行業(yè)迅速發(fā)展并要逐步替代煤炭和石油等傳統(tǒng)燃料使用于汽車等動力設(shè)備，而隨之發(fā)展的表征測試手段也不斷的完善和促使著鋰離子電池范疇的進步。
