四大锂离子电池材料测试技术

锂电池广泛用于电子产品和汽车中作为新能源。近年来，国家大力支持新能源产业，许多国内外公司和研究机构加大了投入，不断研究新材料，以提高锂电池性能的各个方面。锂离子材料和相关的全电池，半电池和电池组在投入生产之前经过一系列测试。以下是锂离子材料几种常用测试方法的总结。最直观的结构观察：扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（SEM）由于电池材料的观察规模在亚微米范围为几百纳米到几微米，普通光学显微镜不能满足观察要求，而高倍放大电子显微镜常用于观察电池材料。扫描电子显微镜（SEM）是一种比较现代的细胞生物学研究工具发明于1965年。它主要利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即利用非常窄的电子束扫描样品，通过电子束和样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。扫描电子显微镜可以观察到锂离子材料的粒径和均匀性，以及纳米材料本身的特殊形态。即使通过观察循环过程中材料的变形，我们也可以判断相应的循环保持能力是好还是坏。如图1b所示，二氧化钛纤维具有特殊的网络结构，提供良好的电化学性能。 1：（a）扫描电子显微镜（SEM）结构示意图; （b）通过SEM测试得到的照片（TiO2纳米线）1.1扫描电子显微镜SEM原理：如图1a所示，SEM是利用电子束轰击样品表面，引起二次电子等信号发射，主要用途SE和放大，SE携带信息的传输，时间序列中的逐点成像，管上成像.1.2扫描电子显微镜特征：（1）强立体图像和可观察到的厚度（2）样品制备简单大可以观察到样品（3）更高的分辨率，30到40Å（4）放大倍数可以连续变化4到150,000（5）可以配备附件，用于微区域的定量和定性分析.1观察对象：粉末，颗粒和散装材料都可以进行测试。除了在测试前保持干燥外，不需要特殊处理。它主要用于观察样品的表面形态，分裂表面的结构，以及管腔内表面的结构。它可以直观地反映材料粒径的具体尺寸和分布。 TEM透射电子显微镜图2：（a）TEM透射电子显微镜的结构示意图; （b）TEM测试照片（Co3O4纳米片）2.1原理：入射电子束用于穿过样品以产生携带样品横截面的电子信号。然后用多级磁透镜放大后在荧光板上成像，同时建立整个图像.2.2特点：（1）薄样本，h <1000Å（2）2D平面图像，立体效果差（3）高分辨率，优于2Å（4）复杂的样品制备2.3观察对象：分散在溶液中的纳米级材料需要在使用前滴在铜网上，事先准备好并保持干燥。主要观察结果是样品的内部超微结构。 HRTEM高分辨透射电子显微镜可以观察到材料的相应晶格和晶面。如图2b所示，观察2D平面结构具有更好的效果，相对于SEM具有较差的立体质量，但是具有更高的分辨率，可以观察到更细微的部分，并且特殊的HRTEM甚至可以观察材料晶体表面和格子信息。材料晶体结构测试：（XRD）X射线衍射技术X射线衍射（XRD）技术。通过材料的X射线衍射，分析其衍射图案，获得材料的成分，内部原子或分子结构或材料的形态等信息研究方法。 X射线衍射分析是研究物质的相和晶体结构的主要方法。当对物质（晶体或非晶体）进行衍射分析时，用X射线照射该物质以产生不同的衍射程度。组合物，晶体形式，分子内键合，分子构型和构象决定了物质的产生。独特的衍射图案。 X射线衍射法具有不损坏样品，无污染，快速，高测量精度和大量有关晶体完整性的信息的优点。因此，X射线衍射分析作为一种现代科学的材料结构和成分分析方法已被广泛应用于各个学科的研究和生产。图3：（a）锂离子材料的XRD谱; （b）X射线衍射仪的原理结构3.1 XRD的原理：当X射线衍射作为电磁波投射到晶体中时，它将被晶体中的原子散射。散射波从原子中心发出。从每个原子的中心发射的散射波类似于源球面波。由于原子在晶体中周期性排列，这些散射球面波之间存在固定的相位关系，这将导致一些散射方向上的球面波相互增强并在某些方向上相互抵消，从而产生衍射现象。每个晶体内部的原子排列是唯一的，因此相应的衍射图案是独特的，类似于人类指纹，因此可以进行相位分析。其中，衍射图案中衍射线的分布由单元电池的尺寸，形状和取向决定。衍射线的强度由原子的类型及其在晶胞中的位置决定。通过使用布拉格方程：2dsinθ=nλ，我们可以使用固定目标获得由不同材料激发的X射线，以产生特殊θ角的特征信号，即PDF卡上标记的特征峰.3.2 XRD测试特征：XRD衍射仪具有广泛的适用性，通常用于测量粉末，单晶或多晶散装材料，具有检测快速，操作简单，数据处理方便的优点。它是一种标准的良心产品。不仅可以用于检测锂材料，大多数晶体材料都可以用XRD测试其特定的晶形。图3a显示了对应于锂离子材料Co3O4的XRD谱。根据相应的PDF卡，在图上标出材料的晶面信息。该图中相应黑色块材料的结晶峰很窄且非常明显，表明其结晶度非常好.3.3测试对象和样品制备要求：粉末样品或具有光滑表面的扁平样品。粉末样品需要研磨，样品表面要平整，减少了测量样品的应力效应。电化学性能（CV）循环伏安法和循环电荷和放电锂电池材料属于电化学范围，因此相应的一系列电化学测试是必不可少的.CV测试：一种常用的电化学研究方法。该方法以不同的速率控制电极电位，并随着时间的推移用三角波形重复扫描一次或多次。电位范围是在电极上交替产生不同的还原和氧化反应并记录电流 - 电位曲线。根据曲线的形状，可以判断电极反应的可逆性程度，中间或相界吸附的可能性或新相的形成，以及偶联化学反应的性质。常用于测量电极反应参数，确定控制步骤和反应机理，并观察在整个电位扫描范围内可能发生的反应，以及它们的性质如何。对于新的电化学系统，优选的研究方法通常是循环伏安法，可称为“电化学光谱法”。除了使用汞电极外，该方法还可以使用铂，金，玻碳，碳纤维微电极，环状伏安法是一种有用的电化学方法，用于研究电极过程的性质，机理和动力学参数。对于新的电化学系统，优选的研究方法通常是循环伏安法。由于受影响的因素很多，该方法通常用于定性分析，很少用于定量分析。图4：（a）可逆电极的CV循环图; （b）电池的恒流循环充放电试验恒定电流循环充放电试验：锂电池组装成相应的电池后，需要充放电来测试循环性能。充电 - 放电过程通常使用恒电流充电 - 放电方法，以固定电流密度放电和充电，限制电压或特定容量条件，并执行循环测试。实验室常用的测试仪有两种：武汉蓝电和深圳新威。设置简单程序后，可以测试电池的循环性能。图4b是一组锂电池组合电池的循环图。我们可以看到黑色散装材料可以循环60圈，红色NS材料可以循环150个圆圈。概述：锂电池材料有很多测试技术。最常见的是上述SEM，TEM，XRD，CV和循环测试。还有拉曼光谱（拉曼），红外光谱（FTIR），X射线光电子能谱（XPS）和电子显微镜附件的能谱分析（EDS），电子能量损失光谱（EELS）来确定材料的粒径和孔隙度。 BET表面积测试率。在某些情况下甚至可以使用中子衍射和吸收光谱（XAFS）。在过去的30年中，锂电池行业迅速发展并逐渐取代传统燃料，如煤和石油，用于汽车和其他动力设备。随之发展的表征和检测方法也在不断改进和促进锂电池领域的进步。
资料来源：Meeyou Carbide