中国分析测试协会
China Association for Instrumental Analysis

上海又炸一辆新能源,锂电池安全性如何破局?

文章来源:岛津企业管理(中国)有限公司
2021-01-21 22:22



  1月19日傍晚,一新能源车在一小区的地下车库发生爆炸。造车新势力乘着政策的东风意欲弯道超车,但隔三岔五的爆燃事故却让人心有余悸,阻碍了新能源汽车的大力推行。


  作为新兴的绿色优质能源,锂离子电池的制造工艺要求非常高,关键材料对电池的整体性能影响也非常大。更高能量密度,同时更稳定、更安全的电池材料是当前研发热点。


  电子探针作为微区分析仪器,在锂离子电池各种材料研制过程中的质量控制、失效分析等方面均可以予以有效表征。


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锂电池正极材料粉末颗粒的微区测试


  正极材料是锂电池最重要的组成部分,当前市场主流产品包括镍钴锰酸锂(Li(Ni-Co-Mn)O2)、铝酸镍钴锂(Li(Ni-Co-Al)O2)、尖晶石型锰酸锂(LiMn2O4)、橄榄石型磷酸铁锂(LiFePO4)等。


  对于微米尺度的正极粉末材料,以往一般利用扫描电镜进行微观形貌观察及微区成分分析,但在应对日趋深入的研究需求时,扫描电镜已力有不逮。


  相对于扫描电镜,当涉及元素的分布表征及精准定量时,更高灵敏度、更高分辨率的电子探针(EPMA)无疑是更为理想的选择尤其在对微量元素及超轻元素表征方面,EPMA更有着极大的优势,日益引起越来越多新能源科研单位的重视,纷纷抢先着手评估和建立测试平台。


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功能原理


岛津电子探针测试的技术优势


  岛津电子探针EPMA通过配置统一四英寸罗兰圆半径的、兼具灵敏度和分辨率的全聚焦分光晶体,以及52.5°的特征X射线高取出角,使之具备非常优异的微量及痕量元素检测能力。


  特别是岛津场发射电子探针EPMA-8050G的推出,凭借着3μA的最大束流,且在更大的束流下仍能获得更小的束斑,实现了卓越图像空间分辨率和元素测试灵敏度的完美融合。


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岛津场发射电子探针EPMA-8050G


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全聚焦晶体


尖晶石型锰酸锂的电子探针测试结果


  以尖晶石型锰酸锂(LiMn2O4)为活性物质的正极材料,价格低廉,安全性相对较高,同时适用于大容量放电,因此广泛应用于混合动力汽车的充电电池等。正极除了活性物质,还有集电器铝箔,粘合剂PVDF和导电助剂乙炔炭黑,电解质盐LiPF6,添加剂VC等。对该类正极材料成分分布、混合状态等的表征可以为锂电池的安全性能的提升改进提供第一手资料。


  锂离子电池正极截面的元素面分析

  下图为某充满电状态拆解下的锂离子电池正极截面的元素面分析结果。图像上侧是集电器的铝箔,下侧是以活性物质锰酸锂为中心的结构。


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图1 尖晶石型锰酸锂正极材料横截面元素分布特征


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图2 元素分布叠加显示


  将图1各元素的面分布情况叠加显示,如图2;据此可推测该电极基本组分:黄色区域(C和F重叠部分)应为电极粘合剂,红色区域(O和Mn重叠部分)应为电极活性物质锰酸锂,蓝色区域(F和P重叠部分)应为电解液支撑盐,绿色区域(有较多的C)应为导电助剂;并且各组分的面积率亦可通过软件直接获取。


  万倍放大后元素面分析

  对下图绿色方框标示处进一步放大至1万倍并进行元素面分析(图3)。


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图3 万倍正极材料横截面元素分布特征


  在放大一万倍的条件下,岛津电子探针对正极材料更为精细的结构亦可进行清晰、直观、良好的表征。测试结果对于电极材料机理深入研究具有重要的指导意义。


小结


  岛津电子探针元素测试时兼备高灵敏度和高分辨率,实现了优异的元素检出限和特征波长分辨率能力。场发射的EPMA-8050G更是融合了空间分辨率和元素测试灵敏度。


  上述使用岛津场发射电子探针表征了满电状态下尖晶石锰酸锂正极材料的活性成分及其面积率和分布特征,万倍下不足一微米成分颗粒的界限状态和元素分布。


  这些科学数据,在锂电池关键材料的研发、工艺评估、质量管理方面均可有重要参考价值和实践意义。