锂离子电池多模态FIB-SEM分析

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锂离子电池是电子便携设备和混合动力汽车的领先储能技术。同时表征锂离子电池材料的结构、化学组成和元素分布，可以揭示锂离子输运、结构效应(相变、内应力)与电池性能及其降解之间的关系。欧洲杯足球竞彩

理解锂离子传输一个长期存在的挑战是基于这样的事实，这种光原子不能被使用直接X射线技术（EDX，XRD和XAS）由于其弱散射和发射性能进行检测。纳米级映射可以由多模态相关显微术相结合的聚焦离子束扫描电子显微镜（FIB-SEM），来实现能量色散X射线光谱时间 - 飞行时间二次离子质谱法（TOF-SIMS）（EDX）和，如图图1。

聚焦离子束(FIB)用于在真空条件下制备电池的新鲜横截面，这有助于直接原位分析，而不暴露在大气中。

图1：锂离子电池电极的FIB横截面

基于FIB-SEM断层扫描的三维结构分析

充放电循环中电极的纳米结构变化是锂离子电池降解过程中最棘手的问题之一。纳米降解发生的机制是复杂的，涉及多种途径。缺乏对退化过程的了解是开发增强型锂离子电池系统的一个重大障碍。

使用FIB-SEM系统，如Tescan公司的XEIA3，可以观察到电极内的降解。FIB被用来研磨电极的表面，以暴露出横截面，然后通过扫描电镜成像，给出图像，如图1。然后，通过层继续该过程，并且捕获的SEM图像堆叠在一起以形成电极内部结构的总体3D图像。因此，通过使用FIB-SEM研究人员可以在几纳米的分辨率内创建电极的3D重建。

该视觉重建可以在其充电生命周期中的不同点的电极上进行，允许研究人员可视化锂离子电池寿命上发生的结构变化。图2表明，越来越多的充电循环的对电极的形态的影响。

图2：电极在不同循环阶段的三维重建，包括活性粒子(左)、含炭黑的孔隙度(中)和相界面(右)。欧洲杯猜球平台牛津大学宋伯航博士

FIB-SEM拍摄的横截面（图1）为一个足够高的分辨率来确定基于锂颗粒（由Li的尺寸（栗欧洲杯猜球平台_０．２m_0.54你_0.13CO._0.13阿)₂)。正是这些粒子在充放电循环中欧洲杯猜球平台产生锂离子，使电化学电池正常工作。随着充电循环次数的增加，测量锂粒子在电极中的尺寸分布，有助于了解电极降解发生的机制。欧洲杯猜球平台

可以观察到，随着充电次数的增加，“小”(200 nm以下)锂粒子的数量密度增加，证实了电极的破碎。欧洲杯猜球平台FIB-SEM提供的3D图像表明，在电极-电解质界面碎裂发生得更快，这证实了降解与充放电循环中发生的锂化/剥离过程有关。

为了理解粒子内部发生的导致碎片的过程，在实验过程中还可以观察到电极内部的特定粒子。欧洲杯猜球平台所拍摄的SEM图像可用于创建粒子的纳米层析重建。欧洲杯猜球平台

这些重构表明，在任何循环发生之前，许多电极颗粒都含有小的内部空隙，这些被认为是电极形成的烧结过程欧洲杯猜球平台的直接结果。在连续的充电周期中，随着电极降解和“二次粒子”的分离，这些空隙的体积增加。欧洲杯猜球平台

二次粒子的SEM成像允许研究人员观察它们具有锋利的晶欧洲杯猜球平台形边缘。这支持其形状是其形状是电极形成期间锂材料的结果，而不是电化学研磨的结果。

通过FIB-SEM对降解的整个电极的分布和在小颗粒密度的增加所收集的信息提供了关于电池行为的有价值的信息。此外，见解锂离子电池的劣化的机制，如空隙的生长和二次粒子的形成，以及如何将这些可能与电极形成工艺可用于设计的电极形成新的，更有效的工艺。

EDX分析

EDX是在SEM容易​​访问最常用的元素映射技术。EDX可被用来提供样品表面的元素图，如图图3.。然而，对常规EDX性能的显着限制是对光元素（比C）的低灵敏度，并且对Li几乎没有敏感性，这仅提供弱散射和低排放。

这意味着，在锂电池分析中，EDX必须与对锂敏感的技术一起使用。

图3：的EDX光谱和锂离子电池电极的元素映射

补充EDX与TOF-SIMS

与此相反，以EDX，TOF-SIMS是锂离子敏感，如在所示的质量谱证明图4.这使得它成为锂离子电池研究的一个有吸引力的候选产品。TOF-SIMS允许在电池寿命周期内观察电池内部结构内锂分布的变化，正如前面的案例研究一样，可以用来确定电池结构和性能之间的关系。

图4:以下15个充电循环锂离子电池电极的TOF-SIMS光谱中，主要的同位素Li离子峰（7米/ Q）是清晰可见的。

来自Tescan的Xeia3可以配备EDX系统和TOF-SIMS分析仪，以提供电池表面的完整元素地图。来自Xeia3的FIB可用于从电池材料表面烧蚀二次离子，然后可以使用TOF-MS进行分析。欧洲杯足球竞彩该数据可以与来自EDX的元素数据集成，以提供元素地图图3.。

除了创建Li分布的定性地图外，TOF-SIMS还能对存在的元素进行定量分析。这允许存在的现象，如困在电池材料的锂被客观量化。锂离子被固定，无法进行充电循环，这是电池退化的一个症状。

电池的TOF-SIMS成像表面显示，锂俘获既晶界和电极内的内部空隙的结果。这些结构特征的电极内产生的障碍，防止对电极的区域中的电解质访问，在这些区域作为无用渲染锂。截留锂的程度可以在放电和充电FIB二次电子图像之间的差异进行观察，叠加在TOF-SIMS地图上，在图5.。

在Li浓度的比较完全充电和完全放电的电池的电极也可以在可见图5.。

图5：具有LI（7）的归一化元素分布图的FIB二次电子图像被示出为完全DSCharged（顶行）和完全充电（底行）样本。完整视野为8μm

结论

仍然是锂离子电池在其生命周期中的复杂行为应充分理解。为了开发更强大的电池，电池结构和化学性质，用于创建系统的生产方法，以及电池性能之间的关系必须得到进一步的了解。FIB-SEM与XEIA3表示用于锂离子电池分析的有力工具。

该XEIA3 FIB-SEM从TESCAN

SEM允许进一步理解电池结构和活动之间的关系，而通过FIB提供的横截面的能力允许原位地创建电极的高分辨率3D图像。另外，通过与EDX和TOF-SIMS检测器的组合，可以创建电池内LI，Mn和Co分布的纳米级元素图。

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这些强大的分析技术的组合允许观察和理解的电化学变化，如空隙生长和粒子击穿，微结构的后果。这，反过来，使研究人员能够理解如何锂电极的设计和构造可以被优化以降低的负面影响，从而有利于优良的锂离子的正极材料的设计。欧洲杯足球竞彩

参考资料及进一步阅读

1. T. Sui，B.宋，J.Dluhos，L.Lu，A. M. Korsunsky，Nano Energy，2015，Doi：10.1016 / J.Nanoen.2015.08.013
2. 宋斌，隋天英，李丽丽，卢璐，A. Korsunsky, J. Mater。化学。A, 2015, doi: 10.1039/ c5ta04151a

TESCAN USA Inc .)

1991年由一群经营者和工程师从特斯拉创立，其电子显微镜历史从1950年代开始，今天Tescan是一个全球知名的聚焦离子束工作站，扫描电子显微镜和光学显微镜供应商。Tescan的创新解决方案和与客户的合作性质赢得了纳米和微技术的领先地位。该公司很自豪地参加各种科学领域的突出机构的首要研究项目。Tescan在价值，质量和可靠性方面为其客户提供领先的产品。Tescan USA Inc.是Tescan Orsay Holdings的北美武器，由捷克公司Tescan，SEC和专注离子束工作站的领先供应商，以及法国公司orsay物理，是定制的法国公司的跨国公司聚焦离子束和电子束技术。

这些信息已经从TESCAN提供的材料中获得、审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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