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                快三原子力顯微鏡——鋰電池導電性分析(聯用元素分析工具)

                2022-09-06

                  鋰離子電池是一種可充電蓄電池,其通過從活性材料的結構中解吸/插入Li+來充電/放電。從制作工藝而言,鋰電池正極由活性材料、導電劑、粘結劑、增稠劑及溶劑去離子水等多相物質混合制成。這其中,對於提高性能和質量控制,最重要的是活性材料、粘合劑和導電添加劑的工作狀態和分布狀態。


                圖1 鋰電池充放電示意圖

                  目前應用最為廣泛的正極材料主要有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元材料鎳鈷錳酸鋰和鎳鈷鋁酸鋰等。其中高鎳三元鋰離子電池正極材料NCM(鋰鎳錳鈷氧化物;Li(Ni-Co-Mn)O2)憑借比容量高、成本較低和安全性優良等優勢,成為研究的熱點,被認為是極具應用前景的鋰離子動力電池正極材料。

                  為了保證電極具有良好的充放電性能,通常加入一定量的導電劑,在活性材料之間、活性材料與集流體之間起到收集微電流的作用,以減小電極的接觸電阻,加速電子的移動速率。導電劑的材料、形貌、粒徑及含量對電池都有著不同的影響,碳系導電劑從類型上可以分為導電石墨、導電炭黑、導電碳纖維和石墨烯。常用的鋰電池導電劑可以分為傳統導電劑(如炭黑、導電石墨、碳纖維等)和新型導電劑(如碳納米管、石墨烯及其混合導電漿料等)。

                  鋰電池粘結劑是一種將活性材料粘附在集流體上的高分子化合物。專門用於粘結和固定電極活性材料,增強電極活性材料與導電劑以及活性材料與集流體之間的電子接觸,更好地穩定極片的結構。聚偏氟乙烯(PVDF)是一種具有高介電常數的聚合物材料,具有良好的化學穩定性和溫度特性,具有優良的機械性能和加工性,對提高粘結性能有積極的作用,被廣泛應用於鋰離子電池中,作為正負極粘結劑。

                  另一方面,正極中的這三種主要物質的分布狀態和工作狀態決定了鋰電池的充放電性能。最常遇到的不利情況包括不導電的粘結劑對活性材料的包裹導致無法參與反應,活性材料顆粒的碎裂導致隔離於反應體系,粘結劑/導電劑分散不均導致一些區域間隙過大使活性材料隔離於反應體系。在這些情況下活性材料成為死的活性材料,不再參與電極反應。


                圖2 正極中各組分存在狀態

                  為了更全面地分析,需要結合多種儀器進行。傳統上,SEM+EDS可以對正極表面形貌和元素分布。但是局限性也很大,首先,EDS僅是一種定性分析工具,不能對元素進行定量分析,需要更精確的方法;另一方面,SEM僅能觀察形貌,無法觀測正極的工作狀態,需要一種表面電學性能觀測的方法。因此本實驗使用EPMA電子探針微量分析儀(EPMA-8050G)測量正極的元素分布,使用原子力顯微鏡(SPM-9700HT)觀測表面電流分布狀態。通過比較EPMA和SPM相同區域圖像來評估正極表面各種組分的工作狀態。


                比較EPMA和SPM在相同區域的分析結果。圖3至圖5示出了EPMA數據,圖6至圖8示出了SPM數據。在EPMA結果中,圖3是成分圖像(COMPO),圖4是C和F分析的疊加圖像,圖5是Mn、Co、Ni和O分析的疊加圖像。

                  因為導電劑和粘結劑都含有C,圖4中C的位置是導電劑和粘合劑,因為只有粘合劑(PVDF)含有F,因此F的位置是粘合劑。圖5中Mn、Co、Ni和O的重疊位置是活性材料。在SPM圖像中,圖6是用電流模式下的SPM獲得的表面形貌圖像,圖7是低偏壓激勵下小電流分布圖像,圖8是高偏壓激勵下大電流分布圖像。結合圖6和圖5,對比可知道活性材料的分布與形貌;結合圖2,可認為圖8中電流區域為為導電劑;同時對比圖7和圖8,從圖7中扣除圖8的大電流區域,可認為其他小電流區域為活性材料,即活性材料A區域。

                  但是結合圖7和圖5 ,可發現有些活性材料在偏壓激勵下並沒有電荷移動(形成電流),因此可判斷,未形成電流的活性材料可能是被不導電的粘合劑包裹,或者因破碎和間隙被隔離於反應體系,無法參與充放電,即活性材料B區域。

                  由此實驗可見,對於鋰電池的研究,結合元素分析工具(EPMA)和電流分析工具(SPM),既可以了解到各種組分的分布,還可以深度了解個部分的工作狀態及可能的失效原因,為深入理解鋰電池的工作原理與過程提供可行實驗方案。

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