超全面鋰電材料常用表征技術及經(jīng)典應用舉例

在鋰離子電池發(fā)展的過程當中，我們希望獲得大量有用的信息來幫助我們對材料和器件進行數(shù)據(jù)的分析，以得知其各方面的性能。在目前，鋰離子電池材料和器件常用到的研究方法主要有表征方法和電化學測量。

電化學測試主要分為三個部分：（1）充放電測試，主要是看電池充放電性能和倍率等；（2）循環(huán)伏安，主要是看電池的充放電可逆性，峰電流，起峰位；（3）EIS交流阻抗，看電池的電阻和極化等。

下面就鋰電綜合研究中用到的表征手段進行簡單的介紹，大概分為八部分來講述：成分表征、形貌表征、晶體結構表征、物質官能團的表征、材料離子運輸?shù)挠^察、材料的微觀力學性質、材料表面功函數(shù)和其他實驗技術。

1、成分表征

（1）電感耦合等離子體（ICP）

用來分析物質的組成元素及各種元素的含量。ICP-AES可以很好地滿足實驗室主、次、痕量元素常規(guī)分析的需要；ICP-MS相比ICP-AES是近些年新發(fā)展的技術，儀器價格更貴，檢出限更低，主要用于痕量/超痕量分析。

Aurbac等在研究正極材料與電解液的界面問題時，用ICP研究LiC0O2和LiFePO4在電解液中的溶解性。通過改變溫度、電解液的鋰鹽種類等參數(shù)，用ICP測量改變參數(shù)時電解液中的Co和Fe含量的變化，從而找到減小正極材料在電解液中溶解的關鍵。值得注意的是，若元素含量較高（例如高于20%），使用ICP檢測時誤差會大，此時應采用其他方式。

（2）二次離子質譜（SIMS）

通過發(fā)射熱電子電離氬氣或氧氣等離子體轟擊樣品的表面，探測樣品表面溢出的荷電離子或離子團來表征樣品成分?？梢詫ν凰胤植歼M行成像，表征樣品成分；探測樣品成分的縱向分布

Ota等用TOF—SIMS技術研究了亞硫酸乙烯酯作為添加劑加到標準電解液后，石墨負極和LiC0O2正極表面形成SEI膜的成分。Castle等通過SIMS探測V2O5在嵌鋰后電極表面到內(nèi)部Li+的分布來研究Li+在V2O5中的擴散過程。

（3）X射線光子能譜（XPS）

由瑞典Uppsala大學物理研究所Kai Siegbahn教授及其小組在20 世紀五六十年代逐步發(fā)展完善。X射線光電子能譜不僅能測定表面的組成元素，而且還能給出各元素的化學狀態(tài)信息，能量分辨率高，具有一定的空間分辨率（目前為微米尺度）、時間分辨率（分鐘級）。

用于測定表面的組成元素、給出各元素的化學狀態(tài)信息。

胡勇勝等用XPS研究了在高電壓下VEC在石墨表面生成的SEI的成分，主要還是以C、O、Li為主，聯(lián)合FTIR發(fā)現(xiàn)其中主要成分為烷氧基鋰鹽。

（4）電子能量損失譜（EELS）

利用入射電子引起材料表面電子激發(fā)、電離等非彈性散射損失的能量，通過分析能量損失的位置可以得到元素的成分。EELS相比EDX對輕元素有更好的分辨效果，能量分辨率高出1～2個量級，空間分辨能力由于伴隨著透射電鏡技術，也可以達到10*10 m的量級，同時可以用于測試薄膜厚度，有一定時間分辨能力。通過對EELS譜進行密度泛函（DFT）的擬合，可以進一步獲得準確的元素價態(tài)甚至是電子態(tài)的信息。

AI．Sharab等在研究氟化鐵和碳的納米復合物電極材料時利用STEM—EELS聯(lián)合技術研究了不同充放電狀態(tài)時氟化鐵和碳的納米復合物的化學元素分布、結構分布及鐵的價態(tài)分布。

（5）掃描透射X射線顯微術（STXM）

基于第三代同步輻射光源以及高功率實驗室X 光源、X射線聚焦技術的新型譜學顯微技術。采用透射X 射線吸收成像的原理，STXM 能夠實現(xiàn)具有幾十個納米的高空間分辨的三維成像，同時能提供一定的化學信息。STXM 能夠實現(xiàn)無損傷三維成像，對于了解復雜電極材料、固體電解質材料、隔膜材料、電極以及電池可以提供關鍵的信息，而且這些技術可以實現(xiàn)原位測試的功能。

Sun等研究碳包覆的Li4Ti5O12與未包覆之前相比，具有更好的倍率性能和循環(huán)性能。作者利用STXM—XANES和高分辨的TEM確定了無定型的碳層均一地包覆在LTO顆粒表面，包覆厚度約為5 nm。其中通過STXM作者獲得了單個LTO顆粒的C、Ti、O分布情況，其中C包覆在顆粒表面。

（6）X射線吸收近邊譜（XANES）

是標定元素及其價態(tài)的技術，不同化合物中同一價態(tài)的同一元素對特定能量X射線有高的吸收，我們稱之為近邊吸收譜。在鋰電池領域中，XAS主要用于電荷轉移研究，如正極材料過渡金屬變價問題。

Kobayashi等用XANES研究了LiNi0.80Co0.15Al0.05O2正極材料。XANES檢測到顆粒表面含有Li2Co3和其它額外立方相雜質。

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