显微镜助力电池多种检测维度

电池材料的二维显微成像与表征
 

光学显微镜起源于17世纪，利用可见光的波长放大物体，达到微米级分辨率，广泛应用于生命科学、材料科学等领域。在电池领域，可以观察电极结构，检测电极缺陷和锂枝晶的生长，为电池研发提供有价值的数据。然而，受可见光波长的限制，它的观察范围有限，而电子显微镜很好地解决了这一问题

1931年问世的电子显微镜，利用电子束将物体放大300万倍，达到奈米分辨率。由于电子显微镜的分辨率更高，在电池研发中，用不同的探针，可获得多维度信息（成分、表征信息、粒度、成分比例等），实现正负电极材料、导电剂更多的微观结构如胶粘剂和隔膜的检测（观察材料的形貌、分布状态、粒度、存在的缺陷等）

▲电池正负极材料、导电剂、粘结剂、隔膜的SEM图像来源:蔡司（用蔡司电子显微镜测试）

由于其高分辨率，扫描电子显微镜。扫描电镜。能清晰地反映和记录材料的表面形貌，因而成为表征材料形貌最方便的手段之一

电池检测:从2D到3D

虽然二维平面检测简单有效，但有时会有偏差。三维成像为开发人员提供了更直观的检测结果，提高了电池研发的效率和性能

其中，X射线显微镜技术，如蔡司Xradia Versa系列，可以实现电池内部的高分辨率三维无损成像，区分电极颗粒和孔隙、隔膜和空气等，可以大大简化流程，节省时间

▲电池内部的高分辨率成像（扫描整个样品-选择感兴趣的区域-放大并执行高分辨率成像）资料来源：蔡司(用蔡司XRadia Versa系列X光显微镜测试)

在此基础上，蔡司推出的四维组织演化表征方法可以获得更多的信息，提供更精细的细节

当需要进一步进行高分辨率分析时，下一代聚焦离子束技术是首选。FIB与SEM相结合，可在纳米尺度上对样品进行精细加工和观察。蔡司和赛默飞世尔都推出了相关的显微镜产品

4. 原位电池测试和多技术相关应用

一种检测方法往往不能完全表征材料特性。因此，业界采用不同的测试设备协同工作，实现多手段关联，进而可以在测试中获得多维度的信息，使得结果更加直观

早期，多方法相关的出发点是用不同的分辨率观察被测对象的需要。使用CT→X射线显微镜→FIB-SEM，选择一个区域，逐步放大，可以得到更全面、更准确的信息，同时可以实现快速定位，让检测更高效

▲正极材料的多尺度相关分析

为了实现原位多角度分析，如德国WITec、捷克Tescan、蔡司等都推出了RISE系统，实现了拉曼成像和SEM技术的结合应用。通过电池表面形貌（SEM）、元素分布（EDS）和电极材料分子组成信息（拉曼图谱）的结合

审核编辑 黄宇