超強分析手段：掃描電鏡在電池材料領域的應用

發布時間 | 2022-10-19 10:18 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 1033

石墨磷酸鐵鋰電池材料

導讀：如今國內最受關注的制造產業，非新能源產業莫屬。其中，新能源電池是新能源產業的重要組成部分，而開發新能源電池的關鍵就是研發新的電池材料——比如說天然石墨、人造石墨、中間相碳微球、硅碳等...

如今國內最受關注的制造產業，非新能源產業莫屬。其中，新能源電池是新能源產業的重要組成部分，而開發新能源電池的關鍵就是研發新的電池材料——比如說天然石墨、人造石墨、中間相碳微球、硅碳等負極材料，磷酸鐵鋰和三元材料等正極材料的技術開發都在不斷進行中。

由于電池材料的組成成分和微觀形貌是影響其性能的重要因素，因此電子顯微技術作為材料表征的重要技術手段之一，已經成為電池材料研發中不可或缺的一部分。尤其是其中的掃描電子顯微鏡（簡稱SEM），由于具有分辨率高、應用范圍廣、樣品制備簡單、圖像景深大等優點，在電池正極、負極、隔膜和固態電解質等材料的研發、改性與性能研究中都發揮著重要作用。以下就是一張鋰電負極材料電鏡圖。

石墨負極材料SEM圖（來源：飛納電鏡）

掃描電鏡的主要作用

掃描電鏡作為一種微觀形貌的觀察手段，是電池材料形貌表征最為便捷的表征手段之一，能清楚地反映和記錄材料的三維形貌特征，粉末、塊狀、片狀的電極材料均可用SEM進行直接觀察，獲得不同放大倍數的圖像。

1、依據形貌變化判斷性能

材料在制備生長過程中受動力學和熱力學方面的影響形貌會發生變化，對形貌變化的調控和功能性修飾是材料能夠得到實際應用的前提。SEM能夠記錄電池材料生長過程中的形貌變化規律，并據此推斷電池材料的生長機理，理解材料的形貌和性能之間的內在聯系。

①正極材料

正極材料是負責電池電化學性能的關鍵因素，為不斷開發性價比更高的正極材料就離不開掃描電鏡。比如說下方的SEM圖，由于三元材料的形貌特征主要繼承自前驅體的形貌特征，因此通過對比前驅體材料與其燒結而成的三元材料SEM圖，就能判斷材料是否具有良好的形貌特征繼承性以及粒度分布是否適宜。

前驅體材料與其燒結而成的三元材料SEM圖（來源：飛納電鏡）

②負極材料

負極材料直接影響鋰離子電池的比容量，因此選材及工藝非常重要。比如說天然石墨為層狀，顆粒邊緣容易被電解液侵蝕，但若通過加工成球形，就容易對邊緣用碳包覆進行保護，延長負極材料的壽命，生產中可以通過掃描電鏡對顆粒形貌觀測。

另外像硅碳這種具有多種設計結構的負極材料，使用掃描電鏡對其微觀結構進行結構，還可以分辨其采用的具體是哪種設計工藝并判斷材料的質量。

③隔膜材料

隔膜作為鋰離子電池的重要部件之一，可以避免正負極接觸并促進鋰離子在電極之間穿梭，決定電池的性能和安全性，雖然隔膜自身未發生任何的電化學反應，但其結構和性能卻影響電池的界面結構和內阻等。

納米尺度下對不同類型聚合物隔膜材料進行觀察

隔膜材料主要使用高分子聚合物，像孔隙率、平均孔徑大小與孔徑分布等都是它的重要參數。一般孔徑分布越窄、越均勻，電池的電性能越優異。孔徑的大小和分布目前主要采用掃描電子顯微鏡(SEM)直接觀測。

另外SEM的形貌分析功能也可以用于電池材料的輔助機理研究、界面反應的實時觀測等。如果借助Ｘ射線能譜技術、背散射電子成像技術以及與其他設備的聯用技術，掃描電鏡甚至還可以實現微納米尺度下的元素組成分析，跟蹤材料組分在電池合成或循環過程中的成分變化，以優化電池的整體性能。

例：比如說鋰-硫電池在循環過程中會生成可溶性的硫化物中間產物(Li₂Sn,4≤n≤8)，導致電池容量衰減、穿梭效應、庫倫效率降低等問題，Zhang等制備了氮化銦功能性隔膜(InN-隔膜)用于鋰－硫電池，利用SEM觀察充放電過程中硫化物中間產物的轉變過程，證實InN-隔膜可以促進硫化物的可逆沉積-降解，為電池材料的改性和功能化提供理論依據。

InN-隔膜在充放電不同階段下(a:2.38V,b:1.70V,c:2.80V)的SEM圖像

2、其他

除了開展以形貌表征為基礎的應用研究外，SEM還可以用來檢測電極材料微區的元素組成和分布。X射線能譜分析技術(EDS/Mapping)是利用ＳＥＭ進行材料微區成分分析的主要手段，它既可以半定量地給出材料的元素組成，又可以直接觀察到特定微區的元素分布，在電池材料設計研發過程中，能夠幫助研究人員確認成分的負載情況和材料的改性情況。

例：Zhong等制備了鈷摻雜的Na_0.44MnO₂用做鈉電極的正極材料，借助SEM、Mapping表征證實產物Na_0.44Mn_0.9925Co_0.0075O2(NMO-3)中Co和Mn分散均勻，Co元素被成功引入。