电池技术是未来实现碳中和的关键。牛津仪器通过多样化的分析和显微镜技术支撑电池研究和制造，包括解决基本电化学和材料难题、为电池正负极和电解质的质量控制提供工具等。我们提供电子显微镜、原子力显微镜、核磁共振、沉积和蚀刻设备以及科学相机系列的优质解决方案。
我们为多个领域提供支持：
.png)
先进的表征技术可以对纳米尺度材料进行量化洞察，对优化电池性能、提高容量、最大输出和最小损耗的研究至关重要。牛津仪器纳米分析工具可提供高端洞察，具体包括Ultim® Extreme EDS系统、 Cypher ES原子力显微镜等。牛津仪器与电池研究领域的团队及行业团体合作，确保提供先进的应用需求。
了解更多
锂离子电池的正极材料是由锰(LMO)、钴(LCO)、镍、铁(LFP)、钛(LTO)或铝的锂金属氧化物制成的。或更为常见是将三种金属组合使用，如：镍锰钴(NMC)，镍钴铝(NCA)。负极一般是由多孔碳或石墨制成的，其他替代材料，如正在研究中的石墨烯和硅可以作为单一材料或石墨的添加剂用以提高电池的容量。
在开发理想的正极或负极材料时，需要在电池成本、能量密度、功率密度、安全性和寿命之间达到平衡。通常，通过增加正极材料NMC中的镍含量来改变化学计量比以提高能量密度。然而，成分的变化也会改变材料的结构和电性能。电子显微镜常用来确定这些结构-性能之间的关系。通过以足够高的分辨率对正极和负极材料样品成像，来检测电池使用寿命中发生的变化，并形成材料均匀性的详细视图。研究人员可以将结构变化与电池的重要特性（如能量密度、功率密度、安全性和寿命）联系起来。
锂离子电池中使用的材料通常对高电子束剂量非常敏感，因此牛津仪器提供了一系列高灵敏性的探测器，允许在尽量小的电子束流下进行成分和结构测量。
很多前沿性的课题组都在使用牛津仪器的Ultim Max和Ultim Extreme系列能谱探测器和Symmetry EBSD探测器来研究：
了解更多
在锂离子电池中，阴极和阳极通常由含有液体电解质的隔膜分离。另一方面，固体电解质正处于研发阶段，其不但在安全性及能量密度方面进行了有意义的提升，同时也节约了成本。
液体电解质
最常用的液体电解质是锂盐溶液(LiPF6或LiBF4)中添加粘合剂和添加剂，粘合剂和添加剂的加入增加粘度并减少气体逸散。液体电解质在充放电过程中会发生降解并释放气体，这会导致电池膨胀，同时某些反应产物还会导致电池腐蚀，如分解产物氢氟酸。
牛津仪器无制冷剂X-Pulse核磁共振系统是唯一能在一个系统中完成所有成分(1H，13C， 19F，7Li，31P，11B)测量的台式核磁共振波谱仪。仪器不但能准确识别和量化HF和LiF等分解产物，同时还可测量扩散系数。
图1(右): X-Pulse核磁共振系统能够在现场条件下进行全电解液表征或质量控制。电解质LiPF6反应产物PF6的核磁谱图。
固体电解质
人们研究了多种可作为锂离子电池固体电解质的材料。这些材料可以使用金属锂做负极，比现有的电池更安全，潜在的能量密度更高。然而，锂离子在固态电解液中的电导率通常低于液态电解质。通过能谱（EDS）获得的Li元素面分布图，可以提供有关材料结构以及任何有害枝晶形成的重要信息。与电导率测量相结合，可有效推动固态电解质性能的研究，并进一步促使全固态电池成为可能。Ultim Extreme能谱仪可以在足够低的束流下检测锂元素，同时不会明显改变样品。
图2：（左）采集前的固态石榴石电解质；（中）利用 Ultim Extreme在2.5k, 100pA条件下采集的元素面分布图——确定了三种不同的含锂相；（右）采集后相同的区域，几乎无损伤
了解更多
我们以往对于电池的研究往往是在电池供电后再对电池的各部件进行分析，但是若能在电池工作时原位表征电池的结构和性质的话，则能获取更有价值的信息。牛津仪器的快速扫描Cypher系列AFM可以专门定制化的用于在手套箱中的操作。Cypher还可以搭载电化学池，并由此在电池工作时直接对电极表面进行研究。由此可以对SEI膜的形成过程以及稳定性进行精确表征。
图1：借助位于充有氩气的手套箱中的Cypher ES系统进行LiO2 电池测试。(A) 装在充有氩气的手套箱中的Cypher ES照片；(B) 实验中用到的电池以及密封样品腔的示意图。实验中会有纯氧气通入AFM中，但是由于样品腔是密闭的，所以氧气并不会进入手套箱中。
牛津仪器的AFM具有多样的功能模块，可以在探究电池材料的结构的同时对其诸多功能特性进行表征。例如电化学应变显微镜（ESM）是Cypher™系列AFM的一项十分强大的功能，其可以在极高的分辨率下表征电化学活性以及固体间的离子流动。ESM的原理基于检测材料对于通过具有电化学活性的探针而施加的电场的应变响应。锂离子在锂电池电极中的嵌入与抽离都会导致一定的体积变化。Cypher系列AFM具有极高的灵敏度，可以检测到表面大约1 pm的形变，这大约等于LiCoO2等材料处于锂化态时一个晶胞（材料的体积单元）的10%的形变量。
通过探针施加的电压引发样品中的离子运动，从而导致表面的形变。而Cypher系列AFM可以在纳米尺寸下精确地对离子运动进行表征。典型的LixCoO2阴极材料的 C点阵参数的数值（垂直于层面的）和锂化反应相关。而在锂离子电池的工作区域中(从x = 1到x=0.5），晶格参数随着x 而线性变化40pm左右。
了解更多
使用电动汽车时，充电时间是一个重要考量因素，即使性能极优的电动汽车也不比大多数内燃机汽车的续航里程。因此，升级电力电子技术十分关键。基于碳化硅的设备将极大推进快速充电市场的发展，实现更快速充电。
牛津仪器对于碳化硅器件制造解决方案有深刻理解，如原子层沉积、等离子体蚀刻和等离子体沉积等。等离子体工艺在碳化硅MOSFET几个工艺步骤中起着重要作用：
锂电池制造商及供应商都面临一定挑战，因为新技术需要迅速扩大规模进行批量生产。汽车、电子行业客户希望产品寿命长、容量高、质量轻、成本低，因此原材料、电池组件和成品的特性十分重要。从原材料开采、组件质量控制，到电池故障分析，牛津仪器均可提供解决方案。
了解更多
对生产锂离子电池所用材料的纯度要求很高，需保证电池具有预期的性能和寿命，同时避免杂质金属颗粒穿透隔膜而导致的危险。在整个制造过程中，对材料的质量控制和监控至关重要，因为即使是极少量的污染物也可能造成灾难性后果。
AZtecBattery提供了一个全自动识别和表征粉末材料中的污染物的解决方案。了解污染源是消除污染并确保产品质量的第一步。
了解更多
核磁共振波谱能给出电解质材料中存在化学物质的详细视图。由于NMR固有的定量属性，X-Pulse台式核磁共振波谱仪非常适合LiPF6或LiBF4的快速分析和前驱盐纯度的测量。仪器运行无需制冷剂，是唯一能在一个系统中检测1H，13C，19F，7Li，31P，11B等所有相关组成的台式核磁共振系统。
了解更多
电池的质量和性能在很大程度上取决于所用的正负极材料。例如，由于硅的重量容量是石墨的10倍，因此石墨负极上常常掺有硅颗粒。然而，两种材料的体积膨胀率差异会导致结构缺陷，从而对电池寿命产生负面影响。此外，硅添加剂有多种来源，有可能含有影响电池性能的其他痕量元素。图1显示了在扫描电子显微镜(SEM)下获得的一个负极材料的能谱图，该负极主要含有石墨（红色），以及一定量的硅颗粒（浅蓝色）。对其中一个硅颗粒进行成分分析显示，与除部分碳 (C)元素外，也存在较高含量的其他元素，如氧 (O)、锡 (Sn)，以及微量的锆 (Zr)元素（如表格所示）。
| C (Wt%) | Si (Wt%) | O (Wt%) | Sn (Wt%) | Zr (Wt%) | F (Wt%) | Na (Wt%) | |
| Si NP | 41.85 | 38.94 | 10.68 | 7.28 | 0.94 | 0.18 | 0.12 |
| Graphite | 99.30 | 0.05 | 0.33 | 0.17 | 0.16 |
在正极材料中，我们关注钴和镍的空间分布以及颗粒的总化学成分，因为颗粒表面的界面效应对电池寿命和衰减至关重要。在图2中，我们展示了NCA正极的高分辨率EDS面分布图，该图清楚地显示了钴在颗粒表面以壳层的形式存在，这也可以通过绘制镍和钴含量的定量线扫描得到证实。
点击回看
纳米分析技术在锂电池领域的应用
近年来，受国家政策和行业影响，我国新能源行业发展迅猛，锂电池作为储能部件，更是其中重点关注对象。
针对该研究热点，本次课程重点介绍牛津仪器纳米分析设备在锂离子电池各组件研发中的潜在应用，阐明了牛津仪器最新的EDS、EBSD、纳米操纵手和AFM等设备的特点，着重讲解这些设备在正极材料、负极材料、电解质和集流体等部件上的具体应用，对该领域的研究提供了强大的研发装备。
© 牛津仪器 2024
公安机关备案号31010402003473