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用扫描电镜研究锂电池

 发布时间:2018-07-09 点击量:2779

电池革命性地改变了电子世界,使我们能够随身携带能量存储装置。在电池研发领域中,微型化和化是两个重要的概念,它们会作用于电池材料的性能、提升电池的使用极限。下面让我们来看看研究人员是如何利用扫描电镜(SEM)对电池材料进行表征并获取相关信息的。

 

电池主要由三个部分组成:两种由不同材料制成的电极和夹在它们中间的隔膜。由于两种电极化学成分不同,它们可以发生化学反应,电能即可从随后发生的氧化还原反应过程中释放出来。即,储存在电极中的化学能被转换成电能,这一过程可以为电子设备供电。

 

通过数十年不断地研发和技术突破,电池已经从早期又大又笨重的形态逐渐演变成了小到可以轻松塞进智能手表里。在长时间的演变进程中,电池的理论模型一直没有发生任何变化,推动电池体积变小容量变大的核心因素是电池材料的革新。

 

电池的设计——要考虑什么?

 

在设计电池结构时,地把控和平衡电池体积和容量,使二者关系高度匹配势必将大幅度提升产品力。研发过程中,一些比较常见且重要的参数如下:

 

  • 额定电压

 

代表电池可以输出多大的电压。例如汽车和手表需要的能量相差甚远,要求的电池电压也不尽相同,通过选用不同材质和类型的电极可以改变这一参数。

 

  • 自放电率

 

电池不能永远保持有电的状态,即存储在电池中的电能会随时间逐渐减少,甚至流失。这在某些应用场景中或许可以接受,但是在另一些场景中,比如放在空调或电视遥控器中的电池掉电,就非常令人恼火,因为我们通常会间隔很久才会用一两次这类遥控器。温度也会很大程度上影响电池的自放电率,这就是手机电池在冬天掉电很快的原因。

 

  • 充/放电循环

 

对于可充电电池来讲,充电和放电的过程通常进行得比较频繁,充放电循环次数的增多会逐渐损坏电池的内部结构(特别是电极),导致电池容量随使用时间的增多而逐渐减少。对电极材料的形状和成分进行优化可以改善这一现象,甚至可以得到经过数千次循环还能保持90%额定容量的电池。

 

  • 能量密度

 

这一概念代表单位体积可容纳的电能,通过对电极成分进行改良可以提升能量密度;除此之外,改变电极形状,增加两个电极可以发生有效化学反应的面积,从而优化空间利用效率也是一种经常被用于提升能量密度的手段。另外,大幅度减小电池组件的尺寸也是电池越来越小的原因之一。

 

  • 安全

 

减小电池元件尺寸有一定概率导致电极绝缘性的下降,这有可能会引发一些风险,比如电池发热甚至爆炸(你可能还记得不久前一些智能手机厂商就在这个问题上苦苦挣扎)。当电池隔膜在应力作用下破裂,就非常容易发生这样的危险。

 

利用扫描电镜提高电池质量

 

上述参数均可以和电池材料的成分和形貌起来,通过选用合适的分析设备,对这些参数实行控制会变得异常容易。

 

图1:左图为锂电池正极的扫描电镜(SEM)图像,右图为锂电池负极的扫描电镜(SEM)图像。扫描电镜(SEM)是研究微米或纳米级小颗粒的理想工具。

 

扫描电镜(SEM)可以轻松将样品放大几万倍,使得几个纳米的细微结构都清晰可见,这无疑为研究人员改善提升电池的质量提供了强有力的帮助。借助扫描电镜可以轻松完成样品层间距的测量以及电极有效接触区域上细微结构的观测。

 

此外,通过在隔膜上施加热应力和机械应力,并在显微级别实时观察隔膜材料在这些外力下的行为,从而帮助研究人员更好的认识隔膜材料破裂失效的机制,并提出改进方案。

 

飞纳台式电镜能谱一体机用于准确识别样品上微区化学成分,具有出色的微纳米级别空间分辨率。分析过程只需要几秒钟!

 

图2:如何使用 EDS 来检测样品成分的变化。点扫描、线扫描或面扫描可用于分析样品不同位置的成分变化或波动。

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