鋰離子電池由于其能量密度高、壽命長和自放電率低而成為目前主流的移動(dòng)電源，廣泛用于智能手機(jī)、筆記本電腦以及電動(dòng)汽車中。
鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。我們通常所說的鋰離子電池是液態(tài)鋰離子電池。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布了《2025年固態(tài)電池高質(zhì)量發(fā)展藍(lán)皮書——提質(zhì)降本，突破 “固” 障》(以下簡稱“藍(lán)皮書”)，全面梳理了全球固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)的最新動(dòng)向，深度剖析了中國在新能源戰(zhàn)略框架下固態(tài)電池行業(yè)的獨(dú)特機(jī)遇與挑戰(zhàn)。藍(lán)皮書指出，液態(tài)鋰離子電池存在能量密度上限、鋰枝晶易引起安全風(fēng)險(xiǎn)、SEI膜增厚影響循環(huán)壽命、低溫性能不足限制場景應(yīng)用等不足，相比之下，固態(tài)電池憑借其優(yōu)異的性能，能夠有效克服液態(tài)鋰離子電池的局限性。
因此，發(fā)展固態(tài)電池不僅是解決現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵路徑，也是滿足未來多樣化應(yīng)用需求的重要方向。日立科學(xué)儀器緊跟技術(shù)前沿，通過提供優(yōu)秀產(chǎn)品和全面解決方案，助力固態(tài)電池的研究探索。
固態(tài)電池原位實(shí)驗(yàn)方案
眾所周知，含鋰元素的電池材料，很容易與空氣中氧氣以及水分發(fā)生反應(yīng)，如下圖所示，鋰離子電池電極材料在空氣中暴露氧化后，其形貌和成分均發(fā)生了變化。為了避免此類情況的發(fā)生，保證樣品在制備、轉(zhuǎn)移和觀察過程中與空氣隔絕就顯得尤為重要。
日立高新?lián)碛凶灾餮邪l(fā)的全套真空轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(見下圖)，該系統(tǒng)可以使樣品從裝載到截面加工再到掃描電鏡觀察的整個(gè)過程隔絕空氣。樣品的裝載會在手套箱中完成，具體步驟是先將轉(zhuǎn)移盒密封好，把樣品裝進(jìn)去，此時(shí)轉(zhuǎn)移盒中充滿惰性氣體保護(hù)。再將樣品連帶轉(zhuǎn)移盒一起從手套箱中取出，放入日立離子研磨儀，再將真空轉(zhuǎn)移盒在離子研磨儀的真空艙內(nèi)打開，對樣品進(jìn)行加工制備。加工結(jié)束后再將轉(zhuǎn)移盒密封好，最后放入掃描電鏡觀察。
日立真空轉(zhuǎn)移系統(tǒng)
針對固態(tài)電池樣品，日立高新設(shè)計(jì)了全新的原位真空轉(zhuǎn)移樣品臺。它可以實(shí)現(xiàn)對樣品的原位加壓、加熱和通電，從而模擬固態(tài)電池的工作條件進(jìn)行原位的觀察與分析，傳統(tǒng)的非原位觀察方式，樣品的觀察與充放電過程分開進(jìn)行，操作過程繁瑣，難以保證每次觀察到相同位置，無法得出有效實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
原位觀察則不同，制樣完成后，樣品無需再取出掃描電鏡，充放電過程在掃描電鏡內(nèi)部完成，保證所有的觀察都是在樣品的同一位置。因此，可以充分了解固態(tài)電池充放電過程中樣品形貌和成分的變化，也可以避免重復(fù)取放樣品對其造成的損傷。
儀器：FE-SEM 及真空轉(zhuǎn)移裝置，加速電壓：1.5 kV，放大倍數(shù)：1 kx，信號：HA-BSE
圖1顯示了由三元鋰材料中的NCA(Ni-Co-Al)正極、硫化物固體電解質(zhì)和In反電極組成的固態(tài)電池(半電池)橫截面的原位觀察結(jié)果。樣品橫截面通過離子研磨儀制備，經(jīng)原位樣品座在不暴露大氣的情況下轉(zhuǎn)移到SEM，觀察到固體電解質(zhì)和In反電極之間的界面。圖像(a)是在初始老化狀態(tài)(充電3.1V)下獲取的，圖像(b)是在充電開始后60分鐘(充電3.5V)時(shí)獲取的，而圖像(c)是在110分鐘(充電3.7V)時(shí)獲取的。
通過HA-BSE成分對比觀察，隨著通電的進(jìn)行，可以觀察到在初始時(shí)效過程中形成的In-Li合金的擴(kuò)展(箭頭)。這種現(xiàn)象被認(rèn)為是由Li在充電過程中的擴(kuò)散(In-Li合金化的進(jìn)展)引起的。通過這種方式，可以對同一位置評估電池結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。
日立場掃描電鏡SU8600
日立離子研磨儀IM4000Ⅱ
（來源：日立科學(xué)儀器）
