徕卡电镜制样:精准解析新能源电池内部奥秘,助力研发与质量飞跃

2026-01-29 16:49:06, Liguo 徕卡显微系统(上海)贸易有限公司




徕卡显微系统为电池研发提供从样品制备、无应力加工到跨设备安全传输的完整电镜制样解决方案,致力于将最真实的样品内部结构,无损地呈现在您的观测视野中。



01

研发挑战

新能源电池,尤其是固态电池的研发与失效分析,对观测的真实性与精度提出了前所未有的要求。

敏感材料复杂结构构成首要难题。高镍正极、金属锂负极等材料在空气中极不稳定,常规制样会引入假象。

电池本身也是由正极、负极、隔膜、电解液(或固态电解质)组成的多相复合体系,物理化学性质各异,对制样方法构成多重挑战。

精细定位无损加工是分析失效点的关键。如何精准定位微米级的缺陷或特定反应界面,并对其进行无应力、无热损伤的加工暴露,是获得真实分析结果的前提。


02

整体解决方案

面对挑战,徕卡提供的不再是孤立的设备,而是一个系统性工作流程,确保样品从制备到观察全程“保真”。

该流程核心在于“全程受控”。针对敏感样品,解决方案贯穿从初始切割到最终电镜观察的每一个环节。

惰性环境制备与传输是研究如金属锂等活性材料的基石。徕卡真空冷冻传输系统(如EM VCT500)能在冷冻或常温、真空或保护气体条件下转移样品,确保其从制样设备到电镜观察台全程不与大气接触。

下表展示了徕卡如何针对不同电池组件特性提供针对性解决方案:

电池组件/材料类型

核心制样挑战

徕卡针对性解决方案

高镍正极、金属锂负极

对空气、水氧极度敏感,易反应变质。

真空/冷冻传输系统,实现全流程惰性环境制备与转移。

电极极片(涂覆层)

多层软硬复合结构,机械切割易分层、变形。

三离子束切割/抛光,实现无应力平整截面,暴露真实孔隙与填充状态。

隔膜材料

柔软、多孔,干燥后结构塌陷,湿态又难以观察。

临界点干燥EM CPD300全自动临界点干燥仪或冷冻超薄切片技术,保持其原始三维多孔结构。

失效点位(如枝晶、裂纹)

需要微米级精确定位,并无损暴露界面。

精研一体机(EM TXP)结合光学观察实现定点修块与抛光。


03

核心产品展示

为实现上述解决方案,徕卡提供了专为材料科学设计的系列精密制样设备。

徕卡三离子束切割仪EM TIC 3X是应对电池材料多样性的核心。它采用独特的鞍型场离子枪,能量分散,加工时热效应极低,完美适用于含有机物或对热敏感循环后样品。

该设备功能高度灵活,支持常温、冷冻、真空传输等多种模式,可根据高活性正负极材料的需求随时升级,实现全程无氧加工与观察。

徕卡真空冷冻传输系统EM VCT500是研究敏感材料的“生命线”。它像一个在设备间穿梭的微型保险箱,能主动冷却样品,并在对接后持续监控样品的温度与真空度,确保脆弱的电池材料结构在转移过程中毫发无损。

徕卡超薄切片机UC Enuity专为需要透射电镜(TEM)观察的样品设计。其独特的重力切片模式和震动解耦机械结构,可制备出厚度均匀(可达50纳米)的超薄切片,用于观察原子级晶体结构变化。

以下为几款核心制样设备的功能简介:

产品名称

核心功能

解决的关键问题

徕卡EM TIC 3X三离子束切割仪

常温/冷冻离子束无应力切割与抛光。

获得无损伤的真实材料表面,用于形貌与成分分析。

徕卡EM VCT500真空冷冻传输系统

连接手套箱、制样设备与电镜,实现样品在惰性环境下的安全转移。

保护空气/温度敏感样品(如固态电池界面)在转移过程中不失真。

徕卡UC Enuity超薄切片机

制备厚度均匀的超薄切片(20-50000nm),用于TEM观察。

揭示材料原子级晶体结构、界面相变等微观信息。

徕卡EM TXP精研一体机

集成锯、磨、抛光功能,结合光学显微镜实现微米级精确定位加工。

精准暴露特定失效点(如单个电极颗粒裂纹),进行定点分析。


04

典型应用场景

这些技术与设备已深入电池研发的各个关键领域。

“失效分析与质量检测”中,研究人员利用徕卡三离子束切割仪,对循环后的NCM(镍钴锰)三元正极材料粉末进行切割,清晰揭示了内部因充放电产生的微裂纹网络,为分析容量衰减机理提供了直接证据。

“固态电池研发”前沿,冷冻电镜技术变得至关重要。徕卡的冷冻制样与传输方案,可将固态电池中活泼的锂金属电极与固态电解质的界面,在极低温下“冻结”并保存其原始状态。

最终在低电压电镜下,直观观察到锂枝晶的生长形貌与固态电解质界面(SEI)的结构,这是评估固态电池安全性与循环寿命的关键。

“电极工艺优化”方面,通过离子束抛光制备的极片完美截面,可以定量分析不同压实工艺下电极内部孔隙的分布与连通性,以及活性材料、导电剂和粘结剂的混合均匀程度,为提升电池能量密度和倍率性能提供工艺指导。


徕卡电镜制样解决方案正助力全球前沿的新能源实验室与企业。当一块经过徕卡全流程制备的电池截面样品在电镜下清晰呈现时,研究人员看到的不仅是图像,更是能量密度提升的路径、安全隐患根除的方案,以及下一代电池技术突破的起点。


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徕卡显微系统始终与科学界保持密切联系,不断推出为客户度身定制的显微解决方案。徕卡显微成像系统主要分为三个业务部门:生命科学与研究显微、工业显微与手术显微部门。徕卡在欧洲、亚洲与北美有9大产品研发中心与4大生产基地,在二十多个国家设有销售及服务分支机构,总部位于德国维兹拉(Wetzlar)。


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