【摘要】 在锂离子电池正极材料中，掺杂元素的种类和浓度对其电化学性能有着显著影响。

聚焦离子束（FIB）是一种高精度的微纳加工技术，可以用于制备透射电子显微镜（TEM）所需的薄样品。通过FIB技术，可以在微米甚至纳米尺度上对材料进行精确的切割和塑形，从而得到适合TEM观察的薄片样品。这种技术具有高精度、高效率和低损伤等优点，特别适用于研究锂离子电池正极材料等脆性或不均匀样品。

透射电子显微镜（TEM）是一种高分辨率、高放大倍数的电子显微镜，能够直接观察材料的原子级结构。在锂离子电池正极材料的研究中，TEM可以用于观察材料的晶格结构、晶界、位错等微观结构信息，以及掺杂元素的分布和状态。结合能量散射X射线谱（EDS）或电子能量损失谱（EELS）等附件，还可以对材料的化学成分进行定性或定量分析。

在锂离子电池正极材料中，掺杂元素的种类和浓度对其电化学性能有着显著影响。通过FIB制样结合TEM技术，可以直观地观察到掺杂元素在晶格中的分布和状态，从而揭示其对材料性能的影响机制。例如，某些掺杂元素可能会改变材料的晶格常数、键合状态或电子结构，进而影响其离子传导和电子传导性能。

 

聚焦离子束FIB微纳加工原理

 

测试概念

高镍、钴层状氧化物等正极材料常掺杂Mn、Al、B等元素,掺杂后的正极材料可提高材料的循环可逆性、增加其可逆容量、提升锂离子扩散动力学性能,能够在一定程度上改变晶格的性质,增强晶格稳定性、电子导电性、锂离子嵌脱动力学性能等。循环后的正极颗粒表面晶格发生改变,通过表征掺杂元素的晶格和衍射分析,探究掺杂提高材料表界面结构稳定性的机理。

 

高镍正极材料

 

测试原理

利用聚焦离子束FIB,对材料样品做截面打薄制样,以获得平整目通透的截面,同时配合透射电子显微镜TEM或者球差校正透射电子显微镜AC-TEM,通过TEM或AC-TEM拍摄正极颗粒截面形貌、高分辨等特性,可以对循环前后掺杂改性以及未改性的正极材料进行形貌、高分辨、衍射等表征,从原理上解释掺杂改性提升电化学性能的原因。

 

测试资料

掺杂主要是将阴离子或阳离子引入正极材料（例如：LLOs）的晶体结构中，正极材料主要以钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及三元钴酸锂为主，磷酸铁锂常见的掺杂元素为Mg2+，Al3+，Zr4+，Ti4+，Nb5+，Zn2+，Cr3+，La3+，Ni3+，Mn2+，V3+/V4+ ，Cu2，Si，C1-，F-；钴酸铁锂常见元素为Mg，Al；锰酸锂常见元素为Al，B，Ti，V，Cr，Co，LiMn2-O4，三元材料晶格中掺杂一些金属离子(Li、Al、Fe、Cr、Ce、Mg]等)和非金属离子(F、Si等)。元素掺杂可以提高正极材料的晶体结构稳定性，抑制结构（例如：层到尖晶石）的不可逆相转变，促进锂离子的传输速率，从而提高电化学性能。

 

图源自网络

 

参考文献

  • "Focused Ion Beam (FIB) Tomography for Materials Research." Microscopy and Microanalysis, vol. 21, no. 2, 2015, pp. 373-388.

这篇文章对聚焦离子束技术在材料研究中的应用进行了概述，包括FIB制样在TEM分析中的应用。

  • "Advanced Characterization of Lithium-Ion Battery Materials Using Focused Ion Beam and Transmission Electron Microscopy." Materials Science and Engineering: R: Reports, vol. 100, 2016, pp. 1-42.

这篇综述文章详细讨论了FIB和TEM在锂离子电池材料先进表征方面的应用，包括正极材料的晶格结构和掺杂元素的分析。

  • "Imaging and Analysis of Lithium-Ion Battery Materials by Transmission Electron Microscopy." Microscopy and Microanalysis, vol. 22, no. S3, 2016, pp. 1608-1619.

这篇文章介绍了使用TEM对锂离子电池材料进行成像和分析的方法，包括正极材料的晶格结构和掺杂元素的观察。

  • "Focused Ion Beam Microscopy for Nanoscale Characterization of Materials." Materials Science and Engineering: B, vol. 229, 2018, pp. 1-12.

这篇文章重点介绍了聚焦离子束显微镜在材料纳米尺度表征中的应用，包括其在锂离子电池材料研究中的潜在应用。

  • "Transmission Electron Microscopy Characterization of Solid Electrolyte Materials for Lithium Batteries." Advanced Materials, vol. 32, no. 34, 2020, pp. 1802088-1-1802088-25.

这篇文章利用TEM对锂离子电池固体电解质材料的微观结构和化学成分进行了深入表征，包括正极材料的晶格结构和掺杂元素的分析。

 

分析测试实验室

 

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