锂电研究逐年走热，背后20余类分析表征技术你了解多少？

阳离子

2020.04.21 点击0次

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导读：锂电池材料关心的结构、动力学等性能，均与电池材料的组成与微结构密切相关，准确和全面的理解锂电池材料的构效关系需要综合运用多种检测技术。

随着消费电子产品需求不断增长、电动汽车的普及，锂离子电池市场在近年来实现稳定增长。而随着使用的广泛普及，锂电安全性、高效性逐渐成为锂电实验室研究以及商业化锂电产品失效分析关注的重点。

锂电研究逐年走热，背后20余类分析表征技术你了解多少？

近十年锂电相关博硕士毕业论文数量递增（知网数据库）

锂电池材料关心的结构、动力学等性能，均与电池材料的组成与微结构密切相关，准确和全面的理解锂电池材料的构效关系需要综合运用多种检测技术。

以锂电实验室研究为例，据仪器信息网对2017年国内近600篇核心期刊发表锂电研究相关论文统计，锂电科研用检测仪器设备品类数量分布如下图。常用的检测仪器设备超过20种，其中占比较高的有电镜（24%）、电化学工作站（15%）、电池性能检测系统（15%）、X射线衍射仪（12%）、热分析仪（7%）、X射线光电子能谱（5%）比表面测试仪（4%）、红外光谱仪（4%）、拉曼光谱仪（3%）等。

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同时，仪器厂商端也积极响应市场需求，发布大量锂电检测相关仪器技术及解决方案，根据仪器信息网“行业应用”栏目大数据，近五年内，仪器厂商在仪器信息网发布锂电相关解决方案数近1000项，解决方案检测对象分布如下图。

锂电研究逐年走热，背后20余类分析表征技术你了解多少？

厂商关注的检测样品与锂电产业链检测需求相吻合，主要集中在锂电材料的正负极材料、隔膜、电解液等。主要检测项目涵盖了锂电检测相关的电化学性能、材料表征、安全性能等项目：

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测试内容	常见检测方法	测试案例
成分分析	能量弥散 X 射线谱(EDX)、电感耦合等离子体(ICP)、GC-MS、二次离子质谱(SIMS)、X 射线荧光光谱仪(XRF)	正/负极材料、隔膜、电解液、产生气体
结构分析	X射线衍射(XRD)、拉曼分光法(Raman)、NMR、透射电镜(TEM)、中子衍射(ND)、扩展 X 射线吸收精细谱(EXAFS)、核磁共振(NMR)、球差校正扫描透射电镜(ABF-STEM)	正/负极材料、黏合剂
形貌分析	扫描电镜(SEM)、截面 SEM、TEM、原子力显微镜(AFM)	正/负极材料、黏合剂、隔膜
价态分析	X 射线光电子能谱(XPS)、电子能量损失谱(EELS)、扫描透射Ｘ射线成像(STXM)、X 射线近边结构谱(XANES)、电子自旋共振(ESR)、NMR	正/负极材料
界面分析	傅里叶变换红外光谱(FTIR)、XPS、SEM、SIMS、扫描探针显微镜(SPM)、开尔文探针力显微镜(KPFM)	正/负极材料
颗粒性能	激光粒度仪、BET比表面仪、振实密度仪、压实密度仪 -	正/负极材料
电性能分析	电化学工作站、电池测试系统、半电池测试、电化学阻抗(EIS)	正/负极材料
热性能分析	热重分析(TGA)—差式扫描量热法(DSC)、绝热加速量热仪(ARC)	正/负极材料、隔膜
分子量分析	凝胶渗透色谱(GPC)	黏合剂
环境适应性	试验机、环境试验箱	原电池、电池组

从锂电实验室研究角度讲，锂电材料包含金属、无机非金属、有机物、聚合物等多种材料，涉及到材料化学、固体化学、化学工程等领域。研究的基础科学问题主要包括材料体系、电化学反应机理、储锂过程热力学、动力学、结构演化、表界面反应、安全性、力学性质等。需要获得锂电信息包括化学组成、材料形貌、晶体结构、微观组织、表面结构、输运特性、力学特性、热学特性等。锂电常用的表征技术包括电镜技术、X 射线衍射、粒度仪、热分析技术等。

从商业化锂电产品角度讲，锂电在使用或储存过程中常出现某些失效现象，包括容量衰减、内阻增大、倍率性能降低、产气、漏液、短路、变形、热失控、析锂等，严重降低了锂离子电池的使用性能、一致性、可靠性、安全性。对失效现象的正确分析和理解对锂离子电池性能的提升和技术改进有着重要作用。从安全性、可靠性等方面出发，常见检测方法包括：电化学工作站、电池测试系统、试验机、环境试验箱等。