如今國(guó)內(nèi)最受關(guān)注的制造產(chǎn)業(yè)，非新能源產(chǎn)業(yè)莫屬。其中，新能源電池是新能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，而開發(fā)新能源電池的關(guān)鍵就是研發(fā)新的電池材料——比如說(shuō)天然石墨、人造石墨、中間相碳微球、硅碳等負(fù)極材料，磷酸鐵鋰和三元材料等正極材料的技術(shù)開發(fā)都在不斷進(jìn)行中。

由于電池材料的組成成分和微觀形貌是影響其性能的重要因素，因此電子顯微技術(shù)作為材料表征的重要技術(shù)手段之一，已經(jīng)成為電池材料研發(fā)中不可或缺的一部分。尤其是其中的掃描電子顯微鏡（簡(jiǎn)稱SEM），由于具有分辨率高、應(yīng)用范圍廣、樣品制備簡(jiǎn)單、圖像景深大等優(yōu)點(diǎn)，在電池正極、負(fù)極、隔膜和固態(tài)電解質(zhì)等材料的研發(fā)、改性與性能研究中都發(fā)揮著重要作用。以下就是一張鋰電負(fù)極材料電鏡圖。

石墨負(fù)極材料SEM圖（來(lái)源：飛納電鏡）

掃描電鏡的主要作用

掃描電鏡作為一種微觀形貌的觀察手段，是電池材料形貌表征最為便捷的表征手段之一，能清楚地反映和記錄材料的三維形貌特征，粉末、塊狀、片狀的電極材料均可用SEM進(jìn)行直接觀察，獲得不同放大倍數(shù)的圖像。

1、依據(jù)形貌變化判斷性能

材料在制備生長(zhǎng)過(guò)程中受動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面的影響形貌會(huì)發(fā)生變化，對(duì)形貌變化的調(diào)控和功能性修飾是材料能夠得到實(shí)際應(yīng)用的前提。SEM能夠記錄電池材料生長(zhǎng)過(guò)程中的形貌變化規(guī)律，并據(jù)此推斷電池材料的生長(zhǎng)機(jī)理，理解材料的形貌和性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。

①正極材料

正極材料是負(fù)責(zé)電池電化學(xué)性能的關(guān)鍵因素，為不斷開發(fā)性價(jià)比更高的正極材料就離不開掃描電鏡。比如說(shuō)下方的SEM圖，由于三元材料的形貌特征主要繼承自前驅(qū)體的形貌特征，因此通過(guò)對(duì)比前驅(qū)體材料與其燒結(jié)而成的三元材料SEM圖，就能判斷材料是否具有良好的形貌特征繼承性以及粒度分布是否適宜。

前驅(qū)體材料與其燒結(jié)而成的三元材料SEM圖（來(lái)源：飛納電鏡）

②負(fù)極材料

負(fù)極材料直接影響鋰離子電池的比容量，因此選材及工藝非常重要。比如說(shuō)天然石墨為層狀，顆粒邊緣容易被電解液侵蝕，但若通過(guò)加工成球形，就容易對(duì)邊緣用碳包覆進(jìn)行保護(hù)，延長(zhǎng)負(fù)極材料的壽命，生產(chǎn)中可以通過(guò)掃描電鏡對(duì)顆粒形貌觀測(cè)。

另外像硅碳這種具有多種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的負(fù)極材料，使用掃描電鏡對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)，還可以分辨其采用的具體是哪種設(shè)計(jì)工藝并判斷材料的質(zhì)量。

③隔膜材料

隔膜作為鋰離子電池的重要部件之一，可以避免正負(fù)極接觸并促進(jìn)鋰離子在電極之間穿梭，決定電池的性能和安全性，雖然隔膜自身未發(fā)生任何的電化學(xué)反應(yīng)，但其結(jié)構(gòu)和性能卻影響電池的界面結(jié)構(gòu)和內(nèi)阻等。

納米尺度下對(duì)不同類型聚合物隔膜材料進(jìn)行觀察

隔膜材料主要使用高分子聚合物，像孔隙率、平均孔徑大小與孔徑分布等都是它的重要參數(shù)。一般孔徑分布越窄、越均勻，電池的電性能越優(yōu)異。孔徑的大小和分布目前主要采用掃描電子顯微鏡(SEM)直接觀測(cè)。

另外SEM的形貌分析功能也可以用于電池材料的輔助機(jī)理研究、界面反應(yīng)的實(shí)時(shí)觀測(cè)等。如果借助Ｘ射線能譜技術(shù)、背散射電子成像技術(shù)以及與其他設(shè)備的聯(lián)用技術(shù)，掃描電鏡甚至還可以實(shí)現(xiàn)微納米尺度下的元素組成分析，跟蹤材料組分在電池合成或循環(huán)過(guò)程中的成分變化，以優(yōu)化電池的整體性能。

例：比如說(shuō)鋰-硫電池在循環(huán)過(guò)程中會(huì)生成可溶性的硫化物中間產(chǎn)物(Li₂Sn,4≤n≤8)，導(dǎo)致電池容量衰減、穿梭效應(yīng)、庫(kù)倫效率降低等問(wèn)題，Zhang等制備了氮化銦功能性隔膜(InN-隔膜)用于鋰－硫電池，利用SEM觀察充放電過(guò)程中硫化物中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)變過(guò)程，證實(shí)InN-隔膜可以促進(jìn)硫化物的可逆沉積-降解，為電池材料的改性和功能化提供理論依據(jù)。

InN-隔膜在充放電不同階段下(a:2.38V,b:1.70V,c:2.80V)的SEM圖像

2、其他

除了開展以形貌表征為基礎(chǔ)的應(yīng)用研究外，SEM還可以用來(lái)檢測(cè)電極材料微區(qū)的元素組成和分布。X射線能譜分析技術(shù)(EDS/Mapping)是利用ＳＥＭ進(jìn)行材料微區(qū)成分分析的主要手段，它既可以半定量地給出材料的元素組成，又可以直接觀察到特定微區(qū)的元素分布，在電池材料設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，能夠幫助研究人員確認(rèn)成分的負(fù)載情況和材料的改性情況。

例：Zhong等制備了鈷摻雜的Na_0.44MnO₂用做鈉電極的正極材料，借助SEM、Mapping表征證實(shí)產(chǎn)物Na_0.44Mn_0.9925Co_0.0075O2(NMO-3)中Co和Mn分散均勻，Co元素被成功引入。

A：NMO-3的形貌圖像；B：NMO-3的元素成分分布

總結(jié)

掃描電鏡作為一種微觀形貌的觀察手段，在電池材料領(lǐng)域顯然大有可為，而且還有很多待開發(fā)的潛在功能。隨著掃描電鏡測(cè)試條件的不斷拓寬，與其他儀器聯(lián)用技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)必定能夠成為電池材料研究領(lǐng)域更為強(qiáng)大的分析手段。

資料來(lái)源：

于川茗,李林,蔡毅超. 掃描電鏡在電池材料領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 電子顯微學(xué)報(bào),2021,40(3):339-347. DOI:10.3969/j.issn.1000-6281.2021.03.019.

粉體圈NANA整理

本文為粉體圈原創(chuàng)作品，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載，也不得歪曲、篡改或復(fù)制本文內(nèi)容，否則本公司將依法追究法律責(zé)任。