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场发射扫描电镜SEM5000在锂电隔膜检测中的应用

更新时间:2023-03-28      点击次数:1116

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锂离子电池 "

锂离子电池是一种二次电池,主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,锂离子穿过隔膜在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,锂离子能量的存储和释放通过电极材料的氧化还原反应实现。

 

锂离子电池主要由正极材料、隔膜、负极材料、电解液和其他材料组成。其中,隔膜在锂离子电池中起到阻止正负极直接接触的作用,并允许电解液中的锂离子自由通过,提供锂离子传输的微孔通道。

 

锂离子电池隔膜的孔径尺寸、多孔程度、分布均一性、厚度直接影响电解液的扩散速率和安全性,对电池的性能有很大影响。如果隔膜的孔径太小,锂离子的透过性受限,影响电池中锂离子的传输性能,使得电池内阻增大;如果孔径太大,锂枝晶的生长可能会刺穿隔膜,造成短路或爆炸等事故[1]

场发射扫描电镜在锂电隔膜检测中的应用 "

使用扫描电镜可以观察隔膜的孔径尺寸和分布均匀性,还可以对多层和有涂覆隔膜的截面进行观察,测量隔膜厚度。传统的商业化隔膜材料多为聚烯烃材料所制备的微孔膜,包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)单层膜及PP/PE/PP三层复合膜。聚烯烃类的高分子材料绝缘不导电,并且对电子束非常敏感,高压下观察会导致荷电效应,高分子隔膜的精细结构也会被电子束损伤。国仪量子自主研发的SEM5000型场发射扫描电镜,具备低压高分辨的能力,可以在低压下直接观察隔膜表面的精细结构,并且不会对隔膜产生损伤。

 

隔膜的制备工艺主要分为干法和湿法两类[2]。干法即熔融拉伸法,包括单向拉伸工艺和双向拉伸工艺,工艺过程简单,制造成本低,是锂离子电池隔膜生产的常用方法。干法制备的隔膜具有扁长状微孔(图1),但制备的隔膜较厚,且微孔均匀性差、孔径和孔隙率较难控制,组装后的电池能量密度低,主要应用于中低端锂离子电池。

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图1 干法拉伸隔膜/0.5KV/Inlens

 

湿法即热致相分离法,将聚合物与高沸点溶剂等混合熔融,经过降温相分离、拉伸、萃取干燥、热处理定型等工艺制得微孔膜。与干法工艺相比较,湿法工艺稳定可控,制得的隔膜厚度薄、力学强度高、孔径分布均匀且相互贯穿(图2)。使用湿法工艺制得的隔膜虽然成本高于干法工艺,但组装后的电池能量密度高、充放电性能好,多应用于中高duan的锂离子电池。结合国仪量子自主研发的孔径分析系统,可以对隔膜的孔径、孔隙率等特征进行快速自动化的分析(图3)。

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图2 湿法拉伸隔膜/1KV/Inlens

 

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图3 隔膜孔径分析/1KV/Inlens

 

虽然聚烯烃类的隔膜广泛应用于锂离子电池中,但受材料本身力学性能、耐热性及表面惰性的限制,单纯的聚烯烃隔膜无法满足锂离子电池高安全性和高性能的要求。为此,需要对聚烯烃隔膜进行表面改性,以提高其力学性能、耐热性及与电解质的亲和力。其中,目前最常使用的方法就是对隔膜进行表面物理涂覆[3]。无机陶瓷材料(图4)具有耐热性好、化学稳定性高的特点,并且表面的极性官能团有利于改善聚烯烃隔膜对电解液的浸润性,故其常作为涂覆颗粒以增强隔膜的耐热性和电化学性能。图5为经无机陶瓷颗粒涂覆后隔膜的陶瓷面的表面形貌。

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图4 氧化铝陶瓷粉末/5KV/BSED

 

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图5 陶瓷涂覆隔膜/1KV/Inlens

场发射扫描电镜SEM5000 "

SEM5000是一款分辨率高、功能丰富的场发射扫描电子显微镜。先进的镜筒设计,高压隧道技术(SuperTunnel)、低像差无漏磁物镜设计,实现了低电压高分辨率成像,同时磁性样品可适用。光学导航、完善的自动功能、精心设计的人机交互,优化的操作和使用流程,无论经验是否丰富,都可以快速上手,完成高分辨率拍摄任务。

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参考资料

[1]陈莉,王艳杰,谭菁.无纺布隔膜用于锂离子电池的研究进展[J].储能科学与技术,2020,9(03):784-790.

[2]文颖峰,叶昀昇,周兴平,薛志刚,解孝林.锂离子电池用聚合物隔膜研究进展[J].高分子材料科学与工程,2021,37(01):292-299.

[3]王振华,彭代冲,孙克宁.锂离子电池隔膜材料研究进展[J].化工学报,2018,69(01):282-294.

*本文部分图片来源摄图网。

 

文 / 尹相斐