【干貨】超全面鋰電材料常用表征技術(shù)及經(jīng)典應(yīng)用舉例

　　在鋰離子電池發(fā)展的過(guò)程當(dāng)中，我們希望獲得大量有用的信息來(lái)幫助我們對(duì)材料和器件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以得知其各方面的性能。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(xué)測(cè)量。

　　電化學(xué)測(cè)試主要分為三個(gè)部分（1）充放電測(cè)試，主要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(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，大概分為八部分來(lái)講成分表征、形貌表征、晶體結(jié)構(gòu)表征、物質(zhì)官能團(tuán)的表征、材料離子運(yùn)輸?shù)挠^察、材料的微觀力學(xué)性質(zhì)、材料表面功函數(shù)和其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

　　1、成分表征

　?。?）電感耦合等離子體（ICP）

　　用來(lái)分析物質(zhì)的組成元素及各種元素的含量。ICP-AES可以很好地滿足實(shí)驗(yàn)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(shù)，儀器價(jià)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(wèn)題時(shí)，用ICP研究LiC0O2和LiFePO4在電解液中的溶解性。通過(guò)改變溫度、電解液的鋰鹽種類(lèi)等參數(shù)，用ICP測(cè)量改變參數(shù)時(shí)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(guān)鍵。值得注意的是，若元素含量較高（例如高于20%），使用ICP檢測(cè)時(shí)誤差會(huì)大，此時(shí)應(yīng)采用其他方式。

　　（2）二次離子質(zhì)譜（SIMS）

　　通過(guò)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(cè)樣品表面溢出的荷電離子或離子團(tuán)來(lái)表征樣品成分?？梢詫?duì)同位素分布進(jìn)行成像，表征樣品成分；探測(cè)樣品成分的縱向分布

　　Ota等用TOF—SIMS技術(shù)研究了亞硫酸乙烯酯作為添加劑加到標(biāo)準(zhǔn)電解液后，石墨負(fù)極和LiC0O2正極表面形成SEI膜的成分。Castle等通過(guò)SIMS探測(cè)V2O5在嵌鋰后電極表面到內(nèi)部Li+的分布來(lái)研究Li+在V2O5中的擴(kuò)散過(guò)程。

　?。?）X射線光子能譜（XPS）

　　由瑞典Uppsala大學(xué)物理研究所Kai Siegbahn教授及其小組在20 世紀(jì)五六十年代逐步發(fā)展完善。X射線光電子能譜不僅能測(cè)定表面的組成元素，而且還能給出各元素的化學(xué)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(shí)間分辨率（分鐘級(jí)）。

　　用于測(cè)定表面的組成元素、給出各元素的化學(xué)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。

　?。?）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(guò)分析能量損失的位置可以得到元素的成分。EELS相比EDX對(duì)輕元素有更好的分辨效果，能量分辨率高出1～2個(gè)量級(jí)，空間分辨能力由于伴隨著透射電鏡技術(shù)，也可以達(dá)到10*10 m的量級(jí)，同時(shí)可以用于測(cè)試薄膜厚度，有一定時(shí)間分辨能力。通過(guò)對(duì)EELS譜進(jìn)行密度泛函（DFT）的擬合，可以進(jìn)一步獲得準(zhǔn)確的元素價(jià)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(fù)合物電極材料時(shí)利用STEM—EELS聯(lián)合技術(shù)研究了不同充放電狀態(tài)時(shí)氟化鐵和碳的納米復(fù)合物的化學(xué)元素分布、結(jié)構(gòu)分布及鐵的價(jià)態(tài)分布。

　　（5）掃描透射X射線顯微術(shù)（STXM）

　　基于第三代同步輻射光源以及高功率實(shí)驗(yàn)室X 光源、X射線聚焦技術(shù)的新型譜學(xué)顯微技術(shù)。采用透射X 射線吸收成像的原理，STXM 能夠?qū)崿F(xiàn)具有幾十個(gè)納米的高空間分辨的三維成像，同時(shí)能提供一定的化學(xué)信息。STXM 能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損傷三維成像，對(duì)于了解復(fù)雜電極材料、固體電解質(zhì)材料、隔膜材料、電極以及電池可以提供關(guān)鍵的信息，而且這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)原位測(cè)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(wú)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(guò)STXM作者獲得了單個(gè)LTO顆粒的C、Ti、O分布情況，其中C包覆在顆粒表面。

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