OPTON的微观世界|第23期 SEM技术在Li电池中的应用（下）

上期小编与大家介绍了当前Li离子电池的基本原理与正负极材料，那么本期就让我们来了解电子显微技术在Li离子电池中的应用吧！

(1)正极材料不同的表面形貌的观察

由于正极材料不同的表面形貌会影响其性能的高低。运用场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察具有尖晶石结构的三元电极材料Li[Ni_0.45Co_0.1Mn_1.45]O₄的整体表面形态以及表面细节(图2)，对了解材料的结构特征有着重要的帮助。

Hassoun J, Lee K S, Sun Y K, et al. An advanced lithium ion battery based on high performance electrode materials[J]. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(9):3139-43.

图2.不同放大倍数下三元正极材料的SEM图像

(2)观察正极材料在循环中内部的结构变化

运用SEM观察锂离子电池中三元正极材料在多次充放电循环过程中裂纹的形成形态，为分析其性能下降的原因提供了重要依据。图3中分别表示了充放电循环前后三元材料离子的的切面形态，可以看出充电以前三元材料颗粒是由多个小的颗粒组合而成(a图所示)，4.7V100次循环以后，通过SEM观察可以看出，三元材料颗粒出现了明显的裂痕(b图所示)。

Yan P,Zheng J, Gu M, et al. Intragranular cracking as a critical barrier forhigh-voltage usage of layer-structured cathode for lithium-ion batteries[J].Nature Communications, 2017, 8:14101.

图3.三元正极材料在多次充放电循环过程前后的SEM图像观察

(3)运用SEM观察表面复合Fe₂O₃纳米球的碳纳米管负极材料

碳纳米管由于具有良好的传导性与柔韧性，广泛的应用于锂离子电池的负极材料。同时通过以碳纳米管为枝干附着Fe₂O₃颗粒，并且在Fe₂O₃颗粒上进一步附着碳层，由于表面积的增加，其电化学性能进一步增强，具有优异的循环性能。通过场发生扫描电镜(FESEM)观察(见图4)，可以看出碳纳米管的形态以及表面附着的Fe₂O₃颗粒的大小与分布形态，为进一步提高其性能提供一定的信息。

Wang Z,Luan D, Madhavi S, et al. Assembling carbon-coated α-Fe2O3 hollow nanohorns onthe CNT backbone for superior lithium storage capability[J]. Energy &Environmental Science, 2012, 5(1):5252-5256.

图4.不同放大倍数下复合Fe₂O₃纳米球的碳纳米管负极材料的SEM图像

(4)柔性锂纤维状离子电池的观察

随着可穿戴移动电子设备的发展，对锂离子电池要求有良好的柔韧度，透气性。因此，超轻柔性锂离子电池的研究也成为新的热点。图5表示了合成超弹性锂离子电池的装配过程，图6为场发射扫描电镜观测的柔性纤维锂离子电池的微观形貌以及在不同拉伸长度下(0%、50%、100%)的微观形貌。

ZhangY, Bai W, Ren J, et al. Super-stretchy lithium-ion battery based on carbonnanotube fiber[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2014, 2(29):11054-11059.

图5.超弹性锂离子电池合成的示意图

图6.超弹性锂离子电池的SEM形貌像以及不同变形程度下锂离子电池的SEM图像

锂离子电池材料的性能的提升，与材料微观结构的形态变化密切相关，尤其是在其纳米结构材料中，结构的变化往往伴随着性能的巨大差异。同时，在材料的可靠性方面，材料的失效往往伴随着微观结构的细微变化，而这些变化的观察最重要的手段便是电子显微镜，最后，材料的微尺度力学行为的测试过程中电子显微镜也是最直观的检测工具。由此可以看出，在锂离子电池的研究中，SEM显微技术有着重要的应用价值。

下期有什么精彩内容呢？敬请期待吧！