賽默飛：前沿表征科技是提高鋰電池質(zhì)量、性能的“王牌利器”
在鋰電池的生產(chǎn)制造過(guò)程中，異物對(duì)鋰電池的性能和安全性有著非常嚴(yán)重的影響。特別是金屬異物在電池內(nèi)部會(huì)引起的枝晶、隔膜穿孔等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致電池短路、自放電率升高，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重的安全隱患。
另一方面，被視為下一代電池技術(shù)重要發(fā)展方向的固態(tài)鋰電池，因其采用固態(tài)電解質(zhì)，相較于傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)的鋰電池，具有更高安全性、更長(zhǎng)壽命和更高的能量密度。但目前固態(tài)鋰電池仍有很多亟待解決的技術(shù)難題，例如固態(tài)電解質(zhì)的穩(wěn)定性不足、離子傳導(dǎo)率較低、正負(fù)極與固態(tài)電解質(zhì)的界面接觸阻抗較高、金屬鋰負(fù)極易膨脹等問(wèn)題。
無(wú)論是當(dāng)前鋰電池生產(chǎn)過(guò)程中存在的異物問(wèn)題，還是下一代固態(tài)鋰電池研發(fā)面臨的技術(shù)難題，都對(duì)深入研究鋰電池材料的微觀結(jié)構(gòu)提出了極高要求。而電子顯微鏡作為探索微觀世界的“王牌利器”，已成為突破鋰電池材料及固態(tài)鋰電池材料顯微表征難點(diǎn)不可或缺的工具之一。
在日前舉行的第九屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2024)上，賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司相關(guān)業(yè)務(wù)專家王慧敏，在題為《鋰離子電池研發(fā)與生產(chǎn)中的顯微表征難點(diǎn)及解決方案》的主題演講中，針對(duì)鋰電池、固態(tài)電池材料顯微表征的難點(diǎn)，提出了賽默飛的解決方案，助力電池生產(chǎn)。
圖為賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司相關(guān)業(yè)務(wù)專家王慧敏發(fā)表演講
利用聚焦離子束顯微鏡進(jìn)行透射樣品制備，進(jìn)而利用透射電鏡對(duì)固態(tài)電解質(zhì)等儲(chǔ)能材料進(jìn)行高分辨尺度表征，是研究機(jī)理的有利手段。然而在這些儲(chǔ)能材料的制備和表征過(guò)程中，會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)，例如鋰金屬負(fù)極對(duì)于空氣極其敏感，如何能在保持材料本征特性的條件下，進(jìn)行材料轉(zhuǎn)移及制備;固態(tài)電解質(zhì)極易被電子輻照損傷，如何觀察到其本征形貌等。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，賽默飛均提供了相應(yīng)的解決方案。
電池制造中使用的許多材料，都對(duì)空氣非常敏感，如鋰金屬、硫化物固態(tài)電解質(zhì)、充電電極等，它們對(duì)空氣中的水分和氧氣都很敏感。在處理這些空氣敏感材料時(shí)，必須在沒(méi)有氧氣和水分的環(huán)境中處理，以防止它們降解或性質(zhì)改變。
針對(duì)空氣敏感材料，賽默飛推出全新的惰性氣體樣品保護(hù)與轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(CleanConnect)，實(shí)現(xiàn)隔絕空氣的轉(zhuǎn)移，保證微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分的穩(wěn)定性。據(jù)介紹，該系統(tǒng)利用惰性氣體如氬氣，來(lái)創(chuàng)建一個(gè)無(wú)氧和無(wú)水分的環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)空氣敏感樣品從手套箱轉(zhuǎn)移到掃描電鏡、雙束電鏡中，進(jìn)行分析表征或透射電子顯微鏡樣品制備，再到透射電子顯微鏡中，進(jìn)行原子級(jí)分析表征的需求。該解決方案可幫助客戶拓展敏感材料的研究邊界，更好地探索未知領(lǐng)域。
針對(duì)電子束敏感材料，賽默飛推出冷凍雙束電鏡(Cryo-FIB-SEM)與冷凍透射電鏡(Cryo-TEM)成像解決方案等。例如隔膜、固態(tài)電解質(zhì)、MOF、鈣鈦礦等材料，對(duì)電子束非常敏感，電子束易誘發(fā)陽(yáng)離子遷移產(chǎn)生相變，或直接打壞樣品。賽默飛通過(guò)在電鏡中加裝一系列冷凍部件，形成一整套冷凍的方案。王慧敏舉例稱，含電解液的隔膜樣品，可以在冷凍制備艙中進(jìn)行冷凍，傳輸至電鏡中進(jìn)行冷凍切割觀察，或制備出薄片，如果需要對(duì)其進(jìn)行透射電鏡原子級(jí)別的觀察，也可以傳輸至透射電鏡中進(jìn)行觀察。下圖是賽默飛利用冷凍電鏡制備的含電解液與銅枝晶的隔膜截面，可以看到隔膜樣品沒(méi)有損傷。
此外，針對(duì)電池生產(chǎn)過(guò)程中異物的管控，賽默飛還研發(fā)出了掃描電鏡和顆粒物全自動(dòng)分析的解決方案。通過(guò)該解決方案，可以在生產(chǎn)產(chǎn)線將異物顆粒識(shí)別出來(lái)，進(jìn)行一系列自動(dòng)顆粒的分析，根據(jù)得出的能譜圖自動(dòng)生成報(bào)告，將顆粒物的類型進(jìn)行分析歸類，助力電池生產(chǎn)。
據(jù)介紹，賽默飛世爾科技(紐約證交所代碼：TMO)是賦能科技進(jìn)步的全球領(lǐng)導(dǎo)者，目前的年?duì)I業(yè)收入超過(guò)400億美元，致力于攜手客戶使世界更健康、更清潔、更安全。賽默飛自1982年正式進(jìn)入中國(guó)，至今已在中國(guó)發(fā)展超40年，其總部位于上海，在北京、廣州、香港、成都、沈陽(yáng)、西安、南京、武漢、濟(jì)南等地設(shè)有分公司。
賽默飛世爾科技能夠?yàn)榭蛻籼峁┮徽祝ǜ叨朔治鰞x器、實(shí)驗(yàn)室裝備、軟件、服務(wù)、耗材和試劑在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室綜合解決方案。近年來(lái)，賽默飛聚焦鋰離子電池行業(yè)，其從研發(fā)到來(lái)料控制、質(zhì)量控制到失效分析等，都有非常完整的解決方案。
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