鋰離子電池材料測試技術(shù)大梳理
發(fā)布時(shí)間:2018-08-16 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】鋰電池作為新能源被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品和汽車。近年來,國家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)大力扶持,國內(nèi)外許多相關(guān)的企業(yè)和研究所加大投入,不斷研究新材料提高鋰電池的各方面性能。而鋰電材料及相關(guān)的全電池、半電池、電池組被投產(chǎn)應(yīng)用之前需要經(jīng)過一系列的檢測。下面就由我總結(jié)一下鋰電材料常用的幾種測試手段。
最直觀的結(jié)構(gòu)觀察:掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)
1. 掃描電鏡(SEM)
由于電池材料的觀察尺度在亞微米即幾百納米到幾微米的范圍,普通光學(xué)顯微鏡無法滿足觀察的需求,而更高放大倍數(shù)的電子顯微鏡則經(jīng)常被用來觀察電池材料。
掃描電子顯微鏡(SEM)是1965年發(fā)明的較現(xiàn)代的細(xì)胞生物學(xué)研究工具,主要是利用二次電子信號(hào)成像來觀察樣品的表面形態(tài),即用極狹窄的電子束去掃描樣品,通過電子束與樣品的相互作用產(chǎn)生各種效應(yīng),其中主要是樣品的二次電子發(fā)射。掃描電子顯微鏡可以觀察到鋰電材料的粒徑大小和均勻程度,以及納米材料自身的特殊形貌,甚至通過觀察材料在循環(huán)過程中發(fā)生的形變我們可以判斷其對(duì)應(yīng)的循環(huán)保持能力好壞。如圖1b所示,二氧化鈦纖維具有的特殊網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能提供良好的電化學(xué)性能。
圖1:(a)掃描電鏡(SEM)的結(jié)構(gòu)原理圖;(b)SEM測試得到的圖片(TiO2的納米線)
1.1 SEM掃描電鏡原理:
如圖1a所示,SEM是利用電子束轟擊樣品表面,引起二次電子等信號(hào)的發(fā)射,主要利用SE并放大、傳遞SE所攜帶的信息,按時(shí)間序列逐點(diǎn)成像,顯像管上成像。
1.2 掃描電鏡的特點(diǎn):
⑴ 圖象立體感強(qiáng)、可觀察一定厚度的樣
⑵ 樣品制備簡單,可觀察較大的樣
⑶ 分辨率較高,30~40Å
⑷ 倍率連續(xù)可變,從4倍~~15萬
⑸ 可配附件,進(jìn)行微區(qū)的定量、定性分析
1.3 觀察對(duì)象:
粉末、顆粒、塊狀材料都可以測試,測試前除保持干燥外,不需要特殊處理。主要用于觀察樣品的表面形貌、割裂面結(jié)構(gòu)、管腔內(nèi)表面的結(jié)構(gòu)等??芍庇^反應(yīng)材料的粒徑尺寸特殊結(jié)構(gòu)及分布情況。
2. TEM透射電子顯微鏡
圖2:(a)TEM 透射電鏡的結(jié)構(gòu)原理圖;(b)TEM測試照片(Co3O4納米片)
2.1 原理: 主要利用入射電子束穿過樣品,產(chǎn)生攜帶樣品橫截面內(nèi)部的電子信號(hào),并經(jīng)多級(jí)磁透鏡的放大后成像于熒光板,整幅像同時(shí)成立。
2.2 特點(diǎn):
⑴ 樣品超薄,h<1000 Å
⑵ 二維平面像,立體感差
⑶ 分辨率高,優(yōu)于2 Å
⑷ 樣品制備復(fù)雜
2.3 觀察對(duì)象:
在溶液中分散的納米級(jí)材料,使用前需要滴在銅網(wǎng)上,提前制備并保持干燥。主要觀察樣品內(nèi)部超微結(jié)構(gòu),HRTEM高分辨透射電鏡可以觀察到材料對(duì)應(yīng)的晶格和晶面。如圖2b所示,觀察二維平面結(jié)構(gòu)具有更好的效果,相對(duì)于SEM的立體感差,但可以具有更高的分辨率,觀察到更細(xì)微的部分,,特殊的HRTEM甚至可以觀察到材料的晶面和晶格等信息。
3. 材料晶體結(jié)構(gòu)測試:(XRD)X射線衍射儀技術(shù)
X射線衍射儀技術(shù)(X-ray diffraction,XRD)。通過對(duì)材料進(jìn)行X射線衍射,分析其衍射圖譜,獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。X射線衍射分析法是研究物質(zhì)的物相和晶體結(jié)構(gòu)的主要方法。當(dāng)某物質(zhì)(晶體或非晶體)進(jìn)行衍射分析時(shí),該物質(zhì)被X射線照射產(chǎn)生不同程度的衍射現(xiàn)象,物質(zhì)組成、晶型、分子內(nèi)成鍵方式、分子的構(gòu)型、構(gòu)象等決定該物質(zhì)產(chǎn)生特有的衍射圖譜。X射線衍射方法具有不損傷樣品、無污染、快捷、測量精度高、能得到有關(guān)晶體完整性的大量信息等優(yōu)點(diǎn)。因此,X射線衍射分析法作為材料結(jié)構(gòu)和成分分析的一種現(xiàn)代科學(xué)方法,已逐步在各學(xué)科研究和生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。
圖3:(a)鋰電材料的XRD光譜;(b)X射線衍射儀的原理結(jié)構(gòu)圖
3.1 XRD原理:X射線衍射作為一電磁波投射到晶體中時(shí),會(huì)受到晶體中原子的散射,而散射波就像從原子中心發(fā)出,每個(gè)原子中心發(fā)出的散射波類似于源球面波。由于原子在晶體中是周期排列的,這些散射球波之間存在固定的相位關(guān)系,會(huì)導(dǎo)致在某些散射方向的球面波相互加強(qiáng),而在某些方向上相互抵消,從而出現(xiàn)衍射現(xiàn)象。每種晶體內(nèi)部的原子排列方式是唯一的,因此對(duì)應(yīng)的衍射花樣是唯一的,類似于人的指紋,因此可以進(jìn)行物相分析。其中,衍射花樣中衍射線的分布規(guī)律是由晶胞的大小、形狀和位向決定。衍射線的強(qiáng)度是由原子的種類和它們?cè)诰О械奈恢脹Q定。通過布拉格方程:2dsinθ=nλ,我們可以獲得不同材料通過使用固定靶材激發(fā)的X射線在特殊θ角位置產(chǎn)生特征信號(hào),即PDF卡片上標(biāo)注的特征峰。
3.2 XRD測試特點(diǎn):
XRD衍射儀的適用性很廣,通常用于測量粉末、單晶或多晶體等塊體材料,并擁有檢測快速、操作簡單、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn), 是一個(gè)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的“良心產(chǎn)品”。不僅僅可用于檢測鋰電材料,大部分晶體材料都可以采用XRD測試其特定的晶型。圖3a為鋰電材料Co3O4所對(duì)應(yīng)的XRD光譜,圖上根據(jù)對(duì)應(yīng)的PDF卡片標(biāo)注了該材料的晶面信息。該圖黑色對(duì)應(yīng)塊體材料結(jié)晶峰窄且高度明顯,說明其結(jié)晶性很好。
3.3 測試對(duì)象及樣品準(zhǔn)備要求:
粉末樣品或表面平整的塊狀樣品。粉末樣品要求磨勻,樣品表面要鋪平,減小測量樣品的應(yīng)力影響。
4. 電化學(xué)性能(CV)循環(huán)伏安法和循環(huán)充放電
鋰電池材料屬于電化學(xué)范圍,因而對(duì)應(yīng)的一系列電化學(xué)測試必不可少。
CV測試: 一種常用的電化學(xué)研究方法。該法控制電極電勢以不同的速率,隨時(shí)間以三角波形一次或多次反復(fù)掃描,電勢范圍是使電極上能交替發(fā)生不同的還原和氧化反應(yīng),并記錄電流-電勢曲線。根據(jù)曲線形狀可以判斷電極反應(yīng)的可逆程度,中間體、相界吸附或新相形成的可能性,以及偶聯(lián)化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)等。常用來測量電極反應(yīng)參數(shù),判斷其控制步驟和反應(yīng)機(jī)理,并觀察整個(gè)電勢掃描范圍內(nèi)可發(fā)生哪些反應(yīng),及其性質(zhì)如何。對(duì)于一個(gè)新的電化學(xué)體系,首選的研究方法往往就是循環(huán)伏安法,可稱之為“電化學(xué)的譜圖”。本法除了使用汞電極外,還可以用鉑、金、玻璃碳、碳纖維微電極以及化學(xué)修飾電極等。
循環(huán)伏安法是一種很有用的電化學(xué)研究方法,可用于電極反應(yīng)的性質(zhì)、機(jī)理和電極過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究。對(duì)于一個(gè)新的電化學(xué)體系,首選的研究方法往往是循環(huán)伏安法。由于受影響因素較多,該法一般用于定性分析,很少用于定量分析。
圖4:(a)可逆電極的CV循環(huán)圖;(b)電池的恒電流循環(huán)充放電測試
恒電流循環(huán)充放電測試:鋰電材料組裝成相應(yīng)的電池之后,需要進(jìn)行充放電進(jìn)行循環(huán)性能的測試。充放電過程經(jīng)常采用恒電流充放電的方式,以固定電流密度進(jìn)行放電和充電,限制電壓或比容量的條件,進(jìn)行循環(huán)測試。實(shí)驗(yàn)室常用的有武漢藍(lán)電和深圳新威兩種測試儀,設(shè)置簡單的程序后,即可測試電池的循環(huán)性能。圖4b為一組鋰電材料組裝電池后的循環(huán)圖,我們可以看到黑色bulk材料對(duì)應(yīng)可以循環(huán)60圈,紅色NS材料可循環(huán)超過150圈。
小結(jié):鋰電池材料的測試技術(shù)有很多,最為常見的有上述的SEM,TEM,XRD,CV和循環(huán)測試等。另外還有拉曼光譜(Raman),紅外光譜(FTIR),X射線光電子能譜(XPS),以及電鏡附件部分的能譜分析(EDS),電子能量損失譜(EELS),判斷材料粒度及孔隙率的BET比表面積測試法。甚至有些時(shí)候還能用到中子衍射和吸收譜(XAFS)等表征手段。
近30年時(shí)間內(nèi),鋰電池行業(yè)迅速發(fā)展并要逐步替代煤炭和石油等傳統(tǒng)燃料應(yīng)用于汽車等動(dòng)力設(shè)備,而隨之發(fā)展的表征檢測手段也不斷的完善和促進(jìn)著鋰電池領(lǐng)域的進(jìn)步。
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