場發(fā)射掃描電鏡SEM5000在鋰電隔膜檢測中的應(yīng)用

鋰離子電池 "

鋰離子電池是一種二次電池，主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，鋰離子穿過隔膜在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌，鋰離子能量的存儲和釋放通過電極材料的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。

鋰離子電池主要由正極材料、隔膜、負(fù)極材料、電解液和其他材料組成。其中，隔膜在鋰離子電池中起到阻止正負(fù)極直接接觸的作用，并允許電解液中的鋰離子自由通過，提供鋰離子傳輸?shù)奈⒖淄ǖ馈?/span>

鋰離子電池隔膜的孔徑尺寸、多孔程度、分布均一性、厚度直接影響電解液的擴(kuò)散速率和安全性，對電池的性能有很大影響。如果隔膜的孔徑太小，鋰離子的透過性受限，影響電池中鋰離子的傳輸性能，使得電池內(nèi)阻增大；如果孔徑太大，鋰枝晶的生長可能會刺穿隔膜，造成短路或爆炸等事故[1]。

場發(fā)射掃描電鏡在鋰電隔膜檢測中的應(yīng)用 "

使用掃描電鏡可以觀察隔膜的孔徑尺寸和分布均勻性，還可以對多層和有涂覆隔膜的截面進(jìn)行觀察，測量隔膜厚度。傳統(tǒng)的商業(yè)化隔膜材料多為聚烯烴材料所制備的微孔膜，包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）單層膜及PP/PE/PP三層復(fù)合膜。聚烯烴類的高分子材料絕緣不導(dǎo)電，并且對電子束非常敏感，高壓下觀察會導(dǎo)致荷電效應(yīng)，高分子隔膜的精細(xì)結(jié)構(gòu)也會被電子束損傷。國儀量子自主研發(fā)的SEM5000型場發(fā)射掃描電鏡，具備低壓高分辨的能力，可以在低壓下直接觀察隔膜表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并且不會對隔膜產(chǎn)生損傷。

隔膜的制備工藝主要分為干法和濕法兩類[2]。干法即熔融拉伸法，包括單向拉伸工藝和雙向拉伸工藝，工藝過程簡單，制造成本低，是鋰離子電池隔膜生產(chǎn)的常用方法。干法制備的隔膜具有扁長狀微孔（圖1），但制備的隔膜較厚，且微孔均勻性差、孔徑和孔隙率較難控制，組裝后的電池能量密度低，主要應(yīng)用于中低端鋰離子電池。

圖1 干法拉伸隔膜/0.5KV/Inlens

濕法即熱致相分離法，將聚合物與高沸點(diǎn)溶劑等混合熔融，經(jīng)過降溫相分離、拉伸、萃取干燥、熱處理定型等工藝制得微孔膜。與干法工藝相比較，濕法工藝穩(wěn)定可控，制得的隔膜厚度薄、力學(xué)強(qiáng)度高、孔徑分布均勻且相互貫穿（圖2）。使用濕法工藝制得的隔膜雖然成本高于干法工藝，但組裝后的電池能量密度高、充放電性能好，多應(yīng)用于中高duan的鋰離子電池。結(jié)合國儀量子自主研發(fā)的孔徑分析系統(tǒng)，可以對隔膜的孔徑、孔隙率等特征進(jìn)行快速自動化的分析（圖3）。

圖2 濕法拉伸隔膜/1KV/Inlens

圖3 隔膜孔徑分析/1KV/Inlens

雖然聚烯烴類的隔膜廣泛應(yīng)用于鋰離子電池中，但受材料本身力學(xué)性能、耐熱性及表面惰性的限制，單純的聚烯烴隔膜無法滿足鋰離子電池高安全性和高性能的要求。為此，需要對聚烯烴隔膜進(jìn)行表面改性，以提高其力學(xué)性能、耐熱性及與電解質(zhì)的親和力。其中，目前最常使用的方法就是對隔膜進(jìn)行表面物理涂覆[3]。無機(jī)陶瓷材料（圖4）具有耐熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，并且表面的極性官能團(tuán)有利于改善聚烯烴隔膜對電解液的浸潤性，故其常作為涂覆顆粒以增強(qiáng)隔膜的耐熱性和電化學(xué)性能。圖5為經(jīng)無機(jī)陶瓷顆粒涂覆后隔膜的陶瓷面的表面形貌。

圖4 氧化鋁陶瓷粉末/5KV/BSED

圖5 陶瓷涂覆隔膜/1KV/Inlens

場發(fā)射掃描電鏡SEM5000 "

SEM5000是一款分辨率高、功能豐富的場發(fā)射掃描電子顯微鏡。先進(jìn)的鏡筒設(shè)計(jì)，高壓隧道技術(shù)（SuperTunnel）、低像差無漏磁物鏡設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低電壓高分辨率成像，同時(shí)磁性樣品可適用。光學(xué)導(dǎo)航、完善的自動功能、精心設(shè)計(jì)的人機(jī)交互，優(yōu)化的操作和使用流程，無論經(jīng)驗(yàn)是否豐富，都可以快速上手，完成高分辨率拍攝任務(wù)。

參考資料

[1]陳莉,王艷杰,譚菁.無紡布隔膜用于鋰離子電池的研究進(jìn)展[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2020,9(03):784-790.

[2]文穎峰,葉昀昇,周興平,薛志剛,解孝林.鋰離子電池用聚合物隔膜研究進(jìn)展[J].高分子材料科學(xué)與工程,2021,37(01):292-299.

[3]王振華,彭代沖,孫克寧.鋰離子電池隔膜材料研究進(jìn)展[J].化工學(xué)報(bào),2018,69(01):282-294.

*本文部分圖片來源攝圖網(wǎng)。

文 / 尹相斐