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鋰電池是成功的商業化電化學產品，廣泛應用于電子產品，電器，網格存儲，汽車，發電站等生活的各個方面。然而，鋰電池還有很多的性能需要改善，例如能量密度，循環能力，存儲能力，安全性等等，正因如此，我們需要了解電池的內部結構。
鋰電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)內部(bu)結(jie)構(gou)非常復雜，為(wei)了改進性(xing)能，可(ke)以用多種(zhong)表征手段(duan)來揭示電(dian)(dian)池(chi)內部(bu)的(de)(de)充放(fang)電(dian)(dian)行(xing)為(wei)，鋰電(dian)(dian)池(chi)內部(bu)的(de)(de)結(jie)構(gou)改變有多個維(wei)度(du)，包括原子(zi)級晶體結(jie)構(gou)的(de)(de)改變，固態電(dian)(dian)解質界(jie)面（SEI）生長(chang)，微米級電(dian)(dian)極顆粒破(po)碎，宏(hong)觀(guan)上電(dian)(dian)池(chi)膨脹等，這些變化都會影響電(dian)(dian)化學性(xing)能，成像技術給出的(de)(de)鋰電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)2D或3D的(de)(de)空間分辨率，可(ke)以幫助研究人員分析失敗(bai)機理，提高(gao)鋰電(dian)(dian)池(chi)實際使(shi)用性(xing)能。
比如，在“鋰電池中電極材料裂紋結構制備及其電化學性能研究"②中，作者將NCM材料（三元正極材料）作為研究對象，即含有Li、Ni、Co、Mn和O的材料，用徠卡三離子束切割儀EM TIC3X切割材料粉末，看內部裂紋結構（圖1）。
圖1.NCM不同壓實密度內部孔道(dao)分布(bu)及結構示意圖
電子束成像技術（EM）目前來說是鋰電池成像里使用最多的。電子束德布意耳波長小于10-10m，主要是(shi)樣品和電(dian)子(zi)(zi)(zi)束相互(hu)作用激發(fa)一(yi)系列(lie)的(de)X-射線，電(dian)子(zi)(zi)(zi)信號。電(dian)鏡成像可(ke)(ke)以(yi)到達原(yuan)子(zi)(zi)(zi)級別，可(ke)(ke)以(yi)輕松獲得(de)元素(su)分布圖，化(hua)學價位分析(xi)和3D重(zhong)構。電(dian)鏡分辨率(lv)可(ke)(ke)達0.05nm,可(ke)(ke)以(yi)很容易揭示鋰電(dian)池原(yuan)子(zi)(zi)(zi)級的(de)催化(hua)和儲(chu)能的(de)機理。
但是電鏡也有自身限制：
電(dian)子(zi)束工作需要高真空，不利于電(dian)解液的研究；
電(dian)子(zi)束和輕(qing)質元素相互作(zuo)用(yong)弱，不太(tai)容易獲得鋰離(li)子(zi)；
透射電子束對電極材料的穿透深度一般在10-6m，當鋰電池電極顆粒大于10-5m時，則不太合適；
高能電子束可(ke)能會損傷樣品(pin)。但這(zhe)里有其他的解決方案，原位電鏡，冷(leng)凍電鏡，3D重(zhong)構。
冷凍電鏡首先是應用在生物大分子中，優點是保持樣品的結構真實性。此方法的發明者們在2017年獲得了諾貝爾化學獎。這項技術在固態電池研究中，可直觀看到鋰枝晶的形成，SEI的結構，還有在樣品制備和電子束輻照中容易受影響的部分。和傳統的電鏡技術相對比，冷凍電鏡有兩個顯著特點：低溫，低電壓。在樣品準備，轉移和測試過程中，都需要在極低的溫度(?170 °C)下進行，樣品的脆弱結構被凍住并得到保存，同時，冷凍電鏡測試中電子束強度遠低于常規電鏡，減少了樣品的損傷。①
近(jin)年來，徠(lai)卡(ka)電鏡制樣(yang)設(she)備(bei)為鋰(li)(li)電池(chi)材(cai)料(liao)內部結構(gou)研(yan)究提(ti)供助力，在(zai)國內外多(duo)個(ge)頭部鋰(li)(li)電池(chi)材(cai)料(liao)高(gao)校(xiao)研(yan)究所(suo)，企(qi)業實驗室檢測部門，都有徠(lai)卡(ka)制樣(yang)的身影。
在接下來的內容中，我們會(hui)先后介紹徠(lai)卡制樣設備在正極材(cai)料，負(fu)極材(cai)料，隔膜材(cai)料，固態電池等(deng)方(fang)面(mian)案例。
在“鈷酸鋰雙晶界裂紋降解的原子機理"一文中，作者使用徠卡EM TIC 3X做截面切割后，采用EBSD統計鈷酸鋰，孿晶比例超過40%。孿晶界是一種缺陷，在晶界處容易產生裂紋，主要包括解理裂紋和分解裂紋。文章里面對這兩種裂紋的形核和生長機制做了詳細的分析。③
圖2.孿晶界(jie)的(de)EBSD圖示(shi)及(ji)晶向
在“鈷酸鋰多元素摻雜方法極大提高其電化學性能"一文中，作者采用徠卡三離子束EM TIC 3X切割循環后的極片，并作SEM形貌分析④
圖3.循環(huan)后極片的離子束切割SEM圖片示(shi)意圖
在“納米結構和開孔顆粒形態對鋰離子電池的電極加工及電化學性能"一文中，作者采用徠卡三離子束EM TIC 3X切割不同孔隙度極片，并作電鏡觀察及EDS分析：⑤
圖(tu)4.離子(zi)切割壓延電極的掃描電鏡圖(tu)片
為什么(me)說徠卡三離子束(shu)設(she)備適合正極材料的(de)加工呢？這和它的(de)功能和設(she)計是分不開的(de)。
徠卡三離子束設備EM TIC 3X可以常溫，可以冷凍，也可以真空傳輸或冷凍傳輸，根據加工需要，可隨時隨地升級變身新功能。
在鋰(li)電池正極材料看(kan)平整斷面時(shi)，通常(chang)使用常(chang)溫加工，標(biao)準樣(yang)品(pin)臺(tai)即可滿足通常(chang)需要；
若測試樣(yang)品數量多，則可(ke)選(xuan)擇三(san)樣(yang)品臺，一次放(fang)三(san)個樣(yang)品，到(dao)預設定時間后，取出即可(ke)；
若樣(yang)(yang)品(pin)中(zhong)鋰及其化合物含(han)量(liang)高(gao)，短(duan)時間(jian)也不可(ke)以(yi)接觸空(kong)氣，或高(gao)鎳正極材料，不能短(duan)時間(jian)接觸空(kong)氣，則可(ke)選擇(ze)真(zhen)空(kong)傳輸(shu)，全程真(zhen)空(kong)裝(zhuang)載加工樣(yang)(yang)品(pin)，且加工完畢可(ke)真(zhen)空(kong)轉(zhuan)移(yi)至電(dian)鏡中(zhong)實現最終觀察。
圖5.徠(lai)卡(ka)三離(li)子(zi)束設(she)備EM TIC 3X結(jie)構及樣(yang)品臺功能(neng)選項(xiang)示意圖
徠卡三離子束設備采用鞍型場槍設計，對(dui)(dui)(dui)于(yu)正極(ji)材料非(fei)常友好(hao)，鞍型場槍(qiang)能量分散，對(dui)(dui)(dui)于(yu)一個(ge)點，熱(re)量低，特別適合摻雜不耐熱(re)樣(yang)品(pin)或循環對(dui)(dui)(dui)比實(shi)驗。循環實(shi)驗中，使用后的(de)電(dian)極(ji)中往往會摻入部分有(you)機物，此時的(de)低熱(re)加工，對(dui)(dui)(dui)樣(yang)品(pin)來說再合適不過。此類槍(qiang)由于(yu)設(she)計(ji)時沒有(you)磁場的(de)引(yin)入，對(dui)(dui)(dui)于(yu)電(dian)池(chi)材料的(de)粉(fen)體(ti)原(yuan)料或電(dian)極(ji)的(de)掉粉(fen)問題，不會產(chan)生吸附現象，極(ji)大延長了槍(qiang)的(de)維(wei)護周(zhou)期。
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