前 言
上期小編與大家介紹了當(dāng)前Li離子電池的基本原理與正負(fù)極材料，那么本期就讓我們來了解電子顯微技術(shù)在Li離子電池中的應(yīng)用吧!
SEM在鋰離子電池中的應(yīng)用
(1)正極材料不同的表面形貌的觀察
由于正極材料不同的表面形貌會(huì)影響其性能的高低。運(yùn)用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察具有尖晶石結(jié)構(gòu)的三元電極材料Li[Ni0.45Co0.1Mn1.45]O4的整體表面形態(tài)以及表面細(xì)節(jié)(圖2)，對(duì)了解材料的結(jié)構(gòu)特征有著重要的幫助。
Hassoun J, Lee K S, Sun Y K, et al. An advanced lithium ion battery based on high performance electrode materials[J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(9):3139-43.
圖2.不同放大倍數(shù)下三元正極材料的SEM圖像
(2)觀察正極材料在循環(huán)中內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化
運(yùn)用SEM觀察鋰離子電池中三元正極材料在多次充放電循環(huán)過程中裂紋的形成形態(tài)，為分析其性能下降的原因提供了重要依據(jù)。圖3中分別表示了充放電循環(huán)前后三元材料離子的的切面形態(tài)，可以看出充電以前三元材料顆粒是由多個(gè)小的顆粒組合而成(a圖所示)，4.7V100次循環(huán)以后，通過SEM觀察可以看出，三元材料顆粒出現(xiàn)了明顯的裂痕(b圖所示)。
Yan P,Zheng J, Gu M, et al. Intragranular cracking as a critical barrier forhigh-voltage usage of layer-structured cathode for lithium-ion batteries[J].Nature Communications, 2017, 8:14101.
圖3.三元正極材料在多次充放電循環(huán)過程前后的SEM圖像觀察
(3)運(yùn)用SEM觀察表面復(fù)合Fe2O3納米球的碳納米管負(fù)極材料
碳納米管由于具有良好的傳導(dǎo)性與柔韌性，廣泛的應(yīng)用于鋰離子電池的負(fù)極材料。同時(shí)通過以碳納米管為枝干附著Fe2O3顆粒，并且在Fe2O3顆粒上進(jìn)一步附著碳層，由于表面積的增加，其電化學(xué)性能進(jìn)一步增強(qiáng)，具有優(yōu)異的循環(huán)性能。通過場發(fā)生掃描電鏡(FESEM)觀察(見圖4)，可以看出碳納米管的形態(tài)以及表面附著的Fe2O3顆粒的大小與分布形態(tài)，為進(jìn)一步提高其性能提供一定的信息。
Wang Z,Luan D, Madhavi S, et al. Assembling carbon-coated α-Fe2O3 hollow nanohorns onthe CNT backbone for superior lithium storage capability[J]. Energy &Environmental Science, 2012, 5(1):5252-5256.
圖4.不同放大倍數(shù)下復(fù)合Fe2O3納米球的碳納米管負(fù)極材料的SEM圖像
(4)柔性鋰?yán)w維狀離子電池的觀察
隨著可穿戴移動(dòng)電子設(shè)備的發(fā)展，對(duì)鋰離子電池要求有良好的柔韌度，透氣性。因此，超輕柔性鋰離子電池的研究也成為新的熱點(diǎn)。圖5表示了合成超彈性鋰離子電池的裝配過程，圖6為場發(fā)射掃描電鏡觀測的柔性纖維鋰離子電池的微觀形貌以及在不同拉伸長度下(0%、50%、100%)的微觀形貌。
ZhangY, Bai W, Ren J, et al. Super-stretchy lithium-ion battery based on carbonnanotube fiber[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2014, 2(29):11054-11059.
圖5.超彈性鋰離子電池合成的示意圖
圖6.超彈性鋰離子電池的SEM形貌像以及不同變形程度下鋰離子電池的SEM圖像
六、后 記
鋰離子電池材料的性能的提升，與材料微觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化密切相關(guān)，尤其是在其納米結(jié)構(gòu)材料中，結(jié)構(gòu)的變化往往伴隨著性能的巨大差異。同時(shí)，在材料的可靠性方面，材料的失效往往伴隨著微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，而這些變化的觀察最重要的手段便是電子顯微鏡，最后，材料的微尺度力學(xué)行為的測試過程中電子顯微鏡也是最直觀的檢測工具。由此可以看出，在鋰離子電池的研究中，SEM顯微技術(shù)有著重要的應(yīng)用價(jià)值。
下期有什么精彩內(nèi)容呢?敬請(qǐng)期待吧!
