【摘要】 常见的正极材料如磷酸铁锤等电池的活性物质,常面临导电性差、锂离子扩散速率慢等缺点,通常需要借助表面包覆来改善,主流包覆技术分为干法、湿法两大类,通通过不同的方法进行包覆厚度不同所带来的电化学性能差异性较大,通过对包覆层厚度、晶格条纹的观察和研究,探讨出最佳的包覆材料与工艺方法。

聚焦离子束（FIB）技术是利用静电透镜将离子束聚焦成2~3nm的离子束，以此轰击材料表面，实现各种纳米加工操作，如剥离、沉积、注入、切割和改性等。该技术具有操作简单、前处理步骤少、对样品污染和损害程度相对低等优势。同时，它可实现定点微纳尺度精准切割，尺寸可控，厚度均匀，适用于多种显微学和显微谱学的分析。此外，FIB技术还可实现切割、成像、化学分析一体化。

 

图源自网络-聚焦离子束（FIB）技术

 

透射电子显微镜（TEM）由于具有极高的分辨率，对样品制备有着极高的要求，通常样品厚度需要小于100nm，才可以被电子束穿透，用于观测。FIB由于具有精密加工的特性，是用来制备TEM样品的良好工具。

 

图源自网络-透射电子显微镜（TEM）结构图

 

测试适用范围

电池正极极片

 

测试概念

常见的正极材料如磷酸铁锤等电池的活性物质,常面临导电性差、锂离子扩散速率慢等缺点,通常需要借助表面包覆来改善,主流包覆技术分为干法、湿法两大类,通通过不同的方法进行包覆厚度不同所带来的电化学性能差异性较大,通过对包覆层厚度、晶格条纹的观察和研究,探讨出最佳的包覆材料与工艺方法。

 

图源自网络-包覆层厚度:3nm

 

测试原理

利用聚焦离子束FIB,对材料样品做截面打薄制样,以获得平整且通透的截面,同时配合透射电子显微镜TEM。通过TEM拍摄正极极片截面形貌、高分辨等特性,可以对循环前前后包覆改性以及未改性的正极材料进行形貌、高分辨、衍射等表征,从原理上解释包覆改性提升电化学性能的原真因。

 

图源自网络-包覆层厚度:18nm

 

测试资料

正极材料在循环过程中易破裂,与电解质之间存在持续的副反应,严重损害了电池的循环寿命和倍率性能。表面包覆能够减小应力,增加液体电解质的润湿性并降低界面电荷转移阻且力,减少副反应,从而有效优化正极材料。

正极极片包覆层厚度一般在2-20nm。一般包覆层是由金属氧化物、磷酸盐和硅酸盐、电极材料、固体电解质和其他离子导体以及导电聚合物组成。磷酸盐和硅酸盐也是常用的包覆材料。

正极材料表面包覆作用:

1)物理屏障,抑制副反应;

2)清除HF,防止电解质的化学侵蚀,减轻过渡金属溶解;

3)提升电子和离子导电;

4)表面化学改性,促进界面离子电荷转移;

5)稳定结构,减轻相变应力。

 

参考文献

1. Zhao, M., et al. (2019). "Effect of surface modification on the electrochemical performance of LiNio.sMn.5O4 cathode materials." Journal of Alloys and Compounds 789: 393-402.

在这篇论文中，作者使用透射电子显微镜（TEM）观察了经过表面改性的LiNio.sMn.5O4正极材料的微观结构。他们发现，经过表面改性后，材料的晶格条纹变得更加清晰，晶粒尺寸更加均匀，并且包覆层与基体之间没有明显的界面。这些结果表明，表面改性有助于改善正极材料的电化学性能。

2. Liu, Y., et al. (2018). "Improved electrochemical performance of LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 cathode material by surface modification." Journal of Power Sources 389: 320-326.

在这篇论文中，作者使用透射电子显微镜（TEM）观察了经过表面改性的LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极材料的微观结构。他们发现，经过表面改性后，材料的晶格条纹变得更加清晰，晶粒尺寸更加均匀。此外，表面改性还增加了材料表面的包覆层厚度，从而提高了材料的电化学性能。

3. Zhang, Y., et al. (2017). "Surface modification of LiMn2O4 cathode material via electroplating for lithium-ion batteries." Journal of Power Sources 344: 372-379.

在这篇论文中，作者使用透射电子显微镜（TEM）观察了经过电镀表面改性的LiMn2O4正极材料的微观结构。他们发现，经过表面改性后，材料的晶格条纹变得更加清晰，晶粒尺寸更加均匀。此外，表面改性还增加了材料表面的包覆层厚度，从而提高了材料的电化学性能。

 

分析测试实验室

 

免责声明：部分资料来源于网络，如有侵权麻烦请联系我们