锂离子电池中锂离子电池的多尺度三维成像方案检测方案(扫描电镜)

thermoscientific数据表 电芯的表征 锂离子电池的多尺度三维成像方案 近年来，随着电动汽车和消费电子产品的高速发展，市场对电池的需求日益增长。锂离子电池由于它相比于其他商用可充电电池技术所具有的高能量以及高功率密度的性能优势而受到了极大的关注。为了进一步提高锂离子电池的性能以及安全性，从根本上了解电池材料的化学性质以及微观结构至关重要。 简介 ( 由于锂电池结构具有三维多尺度的特性，因此要在多尺度上了解锂离子电池的结构，即实现从电芯水平(毫米尺度)到电极材料颗粒水平(纳米尺度)的三维结构表征，非常具有挑战。在此技术文件中，我们提出了多尺度三维成像与分析的工作流程，可用于定量分析锂离子电池的结构-性能关联性。 ) MicroCT 是一种可以实现对毫米量级样品进行微米级分辨率三维成像的技术。研究人员一般使用这种方法来对锂电池电芯样品进行无损表征。图1展示了利用Thermo ScientificTM 的Heliscan MicroCT 对18650圆柱 图1.18650柱形电池的三维成像。蓝色代表充电前的电池样品，黄色代表充放电后的电池样品。(a) 充电前的18650电池的铜集流器的三维重构图(b)充放电前后电池铜集流器的三维重构图(c)充放电前后电池的XY平面图 (d)铜集流器在充放电前后位置的定量分析图。 在电极的尺度，研究人员可以利用Thermo ScientificTM 的Helios PFIBDualBeam双统系统中高效的等离子切割技术对锂电也电极进行具有纳米分辨率的大体积三维重构(重构体积在X，Y，Z方向均可大于100微米)。通过定量的分析三维体积的结构参数可以对电 池进行结构-性能的关联性分析。与此同时，所得到的三维结构可以进一步做为模板来进行三维仿真以及模拟。图2显示了通过Helios PFIB所得到的NMC正极和石墨负极的横截面图像。 图3显示了在Thermo ScientificTM DualBeam双束系统中利用低电压三维EDS的方法所得到的 SiO/C 负极三维重构图。三维EDS清晰的 表征出了负极中的硅颗粒表面CMC 涂层包裹的形貌，提供了其具有好的循环性能的证据。 图3.SiO/C负极的三维EDS。 元素分析以及颗粒的表征 使用常规的EDS元素分析方法很难对锂电池电极内部的锂元素进行检测。通过DualBeam双束系统中的所搭配的二次离子质谱仪(TOF- SIMS)，可实现对锂电池正极结构中锂元素的直接成像。图4显示了NMC 正极内锂分布的三维重构结果。 图4.(a)NMC正极内的锂(7Li同位素)的三维分布；3D重建体积为40 um x 26 um x 1.25 um (x，y，z)。(b)放大的二维SIMS图像以显示NMC颗粒内的Li元素的分布。 DualBeam双束系统还可对电池材料在颗粒尺度上提供详细的结构和元素分析。图5展示了对NMC单颗粒的分析结果。通过在Scios 双束系统中实现对单个NMC颗粒在不同深度上的切割，可以对颗粒内 微观结构进行高分辨率的SEM图像表征。图中一次颗粒在SEM下表现出的不同对比度可能是因为化学成分或晶体取向的差异所造成的。进一步的表征可通过双束系统中提供的 EDS， SIMS 和 EBSD 完成。 图5.通过双束系统对NMC单颗粒进行分析表征。 总结 为了实现基于锂电池的结构-性能关联性分析，需要在不同的尺度上对其进行三维的定量分析。MicroCT和DualBeam双束系统可以实现电池在不同尺度上的三维重构，并对体积分数，表面积，颗粒尺，迂曲度，尺寸分布等结构参数进行定量计算。Thermo Fisher Scientific通 过提供完整的MicroCT和DualBeam双束系统工作流程以及配备先进的硬件附件和软件来实现对电池进行多尺度的三维分析，可以帮助研究人员开发出性能更好，更安全的电池，以及更长寿命的锂电池。 相关产品 欧波同(中国)有限公司 www.opton.com.cn 全国统一销售电话：400-1001-303OPTON 地址：北京市朝阳区惠河南街南岸一号义安门39-110 电话：400-1001-303 传真：010-87777702 E-mail： sale@opton.com.cn 邮编：100021 近年来，随着电动汽车和消费电子产品的高速发展，市场对电池的需求日益增长。锂离子电池由于它相比于其他商用可充电电池技术所具有的高能量以及高功率密度的性能优势而受到了极大的关注。为了进一步提高锂离子电池的性能以及安全性，从根本上了解电池材料的化学性质以及微观结构至关重要。