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鋰離子電池樣品的金相制備（一）

德國Retsch（萊馳） 2023-09-25 | 閱讀：730

鋰離子電池的發(fā)展背景

從早期的鋰金屬陽極開始，到今天的商用鋰離子電池，鋰基電池技術(shù)在過去的三十年中有了顯著的發(fā)展，其中的故事充滿了突破性和歷史進(jìn)展。鋰離子電池的歷史可以追溯到1962年。第一批電池在單次放電后不能再充電(原電池)，其負(fù)極材料為鋰，正極材料為二氧化錳，由三洋公司在1972年推出。1985年，Moli能源公司開發(fā)了第一個(gè)基于鋰(負(fù)極)和硫化鉬(正極)的可充電電池(二次電池)。然而，由于負(fù)極上的鋰，這種設(shè)計(jì)存在安全問題。通往鋰離子電池的下一步是在電極的兩側(cè)涂覆上涂層，這使得鋰可以儲(chǔ)存和移除，并且具有高電壓電位。索尼公司研發(fā)了第一款可充電鋰離子電池，并于1991年推出，這里負(fù)極的活性物質(zhì)為碳，正極的活性物質(zhì)為鈷酸鋰。

從一開始，最具挑戰(zhàn)性的工作之一就是選擇最佳的電極化合物，特別是正極化合物。高循環(huán)穩(wěn)定性和可接受的比容量的要求限制了電極材料的選擇。在正極使用涂有金屬氧化物顆粒的鋁箔，在負(fù)極使用涂有石墨的銅箔是最常見的組合之一。圖1顯示了傳統(tǒng)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)，箔片可以被單面或兩面涂覆。各種鋰金屬氧化物化合物被應(yīng)用于正極，其中層狀氧化物例如Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2可以獲得較高的比容量。與富Ni/ co化合物相比，富Mn化合物的價(jià)格更低，因此對(duì)制造商更有利。

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圖1. 傳統(tǒng)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)

鋰離子電池質(zhì)量控制的程序之一是對(duì)電池蓋、外殼、點(diǎn)焊處以及電極進(jìn)行金相分析。由于這些部件的材料不同，所以需要不同的制備方法。本系列文章將分段討論各種部件的制備目標(biāo)和方法。

電池蓋和外殼的金相制備

電池外殼作為電池系統(tǒng)有源和無源元件的位置，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能、安全性和使用壽命起著決定性的作用。它保護(hù)那些敏感的部件免受有害環(huán)境的影響，如水，濕氣，或灰塵，是長期安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。由于汽車電池通常位于車廂外部，一般位于地板區(qū)域，電池外殼無可避免地暴露于極端環(huán)境影響下，例如溫度、濕度、飛濺水、鹽霧、灰塵或石屑等。因此，在惡劣的外部條件下，電池外殼的高機(jī)械穩(wěn)定性和耐腐蝕性至關(guān)重要。

電池外殼的質(zhì)量控制程序之一是金相制樣和隨后在光學(xué)顯微鏡及SEM（掃描電子顯微鏡）下的檢查。用QATM Qcut 200 A精密切割機(jī)上的旋轉(zhuǎn)夾具可以很方便地切割電池的蓋帽。圖2顯示了如何將樣品夾持在切割機(jī)中以切開電池蓋并取出極芯。

圖2.在旋轉(zhuǎn)夾具中夾緊鋰離子電池以切開蓋帽并取出極芯

鋰離子電池的殼體和蓋帽的制備方法參見表1。在大多數(shù)情況下，電池蓋是由鐵素體鋼制成的，帶鎳基涂層。在這里，適當(dāng)?shù)闹苽淇梢韵T如倒角、錯(cuò)誤的力和方向?qū)е碌耐繉訐p壞、基材以及鎳涂層涂抹等許多假象。表格中的制備方法是QATM根據(jù)其特定的設(shè)備和耗材開發(fā)的制備方法，保證制樣后的結(jié)果更為準(zhǔn)確。

表1. 鋰離子電池蓋和外殼的磨拋制備參數(shù)

電池蓋和外殼的檢測

用3%硝酸酒精溶液腐蝕鋰離子電池蓋樣品得到的顯微組織為帶涂層的鐵素體基體（圖3）。有時(shí)為了測量蓋帽的晶粒度，可以用Klemm I腐蝕劑進(jìn)行彩色腐蝕（圖4）。

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圖3：鋰離子電池蓋用3%硝酸酒精溶液腐蝕后的顯微組織

圖4：鋰離子電池蓋用KlemmI彩色腐蝕劑腐蝕后的顯微組織

下圖為掃描電鏡下電池蓋的背散射電子像。此外,使用掃描電子顯微鏡的EDS能譜探測器，可以測量涂層的化學(xué)成分。

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圖5：電池蓋的背散射電子像，頂部的涂層清晰可見

QATM Qpix Inspect金相軟件中的涂層厚度測量模塊可以依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 1463（金屬和氧化物覆蓋層.覆蓋層厚度的測定.顯微鏡法）對(duì)電池蓋的涂層進(jìn)行精準(zhǔn)的半自動(dòng)測量（如圖6所示），并以表格和線圖的形式提供層厚度的統(tǒng)計(jì)值。

圖6. 通過Qpix Inspect軟件進(jìn)行層厚測量，最終得到的層厚為5.1um。

進(jìn)一步的質(zhì)量控制可以通過測試鋰離子電池蓋和外殼的硬度來進(jìn)行。在這個(gè)案例中，QATM的Qness60A + EVO顯微硬度計(jì)被用于測試方法為HV1(維氏硬度，載荷1kg)的硬度測試，得到的結(jié)果為蓋的硬度：117.3HV，外殼的硬度：210.6HV。圖7顯示了壓痕的位置及圖像。