賽默飛：前沿表征科技是提高鋰電池質量、性能的“王牌利器”
在鋰電池的生產制造過程中，異物對鋰電池的性能和安全性有著非常嚴重的影響。特別是金屬異物在電池內部會引起的枝晶、隔膜穿孔等問題，會導致電池短路、自放電率升高，甚至會引發(fā)火災、爆炸等嚴重的安全隱患。
另一方面，被視為下一代電池技術重要發(fā)展方向的固態(tài)鋰電池，因其采用固態(tài)電解質，相較于傳統(tǒng)液態(tài)電解質的鋰電池，具有更高安全性、更長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難題，例如固態(tài)電解質的穩(wěn)定性不足、離子傳導率較低、正負極與固態(tài)電解質的界面接觸阻抗較高、金屬鋰負極易膨脹等問題。
無論是當前鋰電池生產過程中存在的異物問題，還是下一代固態(tài)鋰電池研發(fā)面臨的技術難題，都對深入研究鋰電池材料的微觀結構提出了極高要求。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不可或缺的工具之一。
在日前舉行的第九屆動力電池應用國際峰會(CBIS2024)上，賽默飛世爾科技(中國)有限公司相關業(yè)務專家王慧敏，在題為《鋰離子電池研發(fā)與生產中的顯微表征難點及解決方案》的主題演講中，針對鋰電池、固態(tài)電池材料顯微表征的難點，提出了賽默飛的解決方案，助力電池生產。
圖為賽默飛世爾科技(中國)有限公司相關業(yè)務專家王慧敏發(fā)表演講
利用聚焦離子束顯微鏡進行透射樣品制備，進而利用透射電鏡對固態(tài)電解質等儲能材料進行高分辨尺度表征，是研究機理的有利手段。然而在這些儲能材料的制備和表征過程中，會面臨許多挑戰(zhàn)，例如鋰金屬負極對于空氣極其敏感，如何能在保持材料本征特性的條件下，進行材料轉移及制備;固態(tài)電解質極易被電子輻照損傷，如何觀察到其本征形貌等。針對這些挑戰(zhàn)，賽默飛均提供了相應的解決方案。
電池制造中使用的許多材料，都對空氣非常敏感，如鋰金屬、硫化物固態(tài)電解質、充電電極等，它們對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，必須在沒有氧氣和水分的環(huán)境中處理，以防止它們降解或性質改變。
針對空氣敏感材料，賽默飛推出全新的惰性氣體樣品保護與轉移系統(tǒng)(CleanConnect)，實現(xiàn)隔絕空氣的轉移，保證微觀結構與化學成分的穩(wěn)定性。據(jù)介紹，該系統(tǒng)利用惰性氣體如氬氣，來創(chuàng)建一個無氧和無水分的環(huán)境，可實現(xiàn)空氣敏感樣品從手套箱轉移到掃描電鏡、雙束電鏡中，進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，進行原子級分析表征的需求。該解決方案可幫助客戶拓展敏感材料的研究邊界，更好地探索未知領域。
針對電子束敏感材料，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、MOF、鈣鈦礦等材料，對電子束非常敏感，電子束易誘發(fā)陽離子遷移產生相變，或直接打壞樣品。賽默飛通過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行冷凍，傳輸至電鏡中進行冷凍切割觀察，或制備出薄片，如果需要對其進行透射電鏡原子級別的觀察，也可以傳輸至透射電鏡中進行觀察。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有損傷。
此外，針對電池生產過程中異物的管控，賽默飛還研發(fā)出了掃描電鏡和顆粒物全自動分析的解決方案。通過該解決方案，可以在生產產線將異物顆粒識別出來，進行一系列自動顆粒的分析，根據(jù)得出的能譜圖自動生成報告，將顆粒物的類型進行分析歸類，助力電池生產。
據(jù)介紹，賽默飛世爾科技(紐約證交所代碼：TMO)是賦能科技進步的全球領導者，目前的年營業(yè)收入超過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年正式進入中國，至今已在中國發(fā)展超40年，其總部位于上海，在北京、廣州、香港、成都、沈陽、西安、南京、武漢、濟南等地設有分公司。
賽默飛世爾科技能夠為客戶提供一整套，包括高端分析儀器、實驗室裝備、軟件、服務、耗材和試劑在內的實驗室綜合解決方案。近年來，賽默飛聚焦鋰離子電池行業(yè)，其從研發(fā)到來料控制、質量控制到失效分析等，都有非常完整的解決方案。
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