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电池常用表征技术全解析：从成分到表面功函数的八大类表征手段

创作时间:

作者:

@小白创作中心

电池常用表征技术全解析：从成分到表面功函数的八大类表征手段

引用

来源

https://shiyanjia.com/knowledge-articleinfo-7626.html

电池表征技术是新能源电池材料研究的重要工具。本文将从成分表征、形貌表征、晶体结构表征、物质官能团的表征、材料离子运输的观察、材料的微观力学性质、材料表面功函数和其他实验技术等八个方面，全面介绍锂电综合研究中用到的表征手段。

成分表征

电感耦合等离子体(ICP)

ICP-AES常用于物质元素及含量分析，满足实验室多种需求。ICP-MS为新技术，成本高但检测灵敏度更高，专长于痕量分析。Aurbac等利用ICP技术研究正极材料与电解液界面，通过调整温度和电解液成分，监测LiC(0)0(2)和LiFePO(4)在电解液中Co和Fe溶解度的变化，以优化减少溶解[1]。需注意，高浓度元素(>20%)检测时ICP误差大，建议采用其他方法。

二次离子质谱(SIMS)

通过热电子电离或氧等离子体轰击样品表面，TOF-SIMS技术探测溢出离子以分析样品成分及同位素分布，还能揭示成分纵向结构。0ta等利用此技术研究了亚硫酸乙酯添加剂对石墨负极和LiC(0)0(2)正极SEI膜成分的影响[2]。Castle等则通过SIMS探究了V(2)0(5)嵌锂后Li(+)在电极中的扩散路径[3]。

X射线光子能谱(XP5)

X射线光电子能谱(XPS)由瑞典Uppsala大学Kaisiegbahn教授团队于20世纪五六十年代发展，能测定表面元素及其化学状态，具有高能量、空间(微米级)和时间(分钟级)分辨率。

胡勇胜等利用XPS研究高电压下VEC在石墨表面生成的SEI成分，主要为C、0、Li，结合FTIR确认主要成分为烷氧基锂盐[4]。

电子能量损失谱(EELS)

利用入射电子激发材料表面电子的非弹性散射能量损失，分析能量损失位置可确定元素成分，EELS较EDX对轻元素分辨更优，能量分辨率高出1-2个量级，空间分辨率达10-10m级，能测薄膜厚度，具时间分辨力。结合DFT拟合EELS谱，可精确获取元素价态及电子态信息。A1.Sharab等采用STEM-EELS技术研究了氟化铁/碳纳米复合物电极材料在充放电过程中的化学元素、结构及铁价态分布[5]。

扫描透射X射线显微术(STXM)

新型谱学显微技术基于同步辐射与实验室X光源，融合X射线聚焦技术，利用透射X射线吸收成像原理，STXM实现纳米级高空间分辨三维成像，并获取化学信息。该技术无损且适用于复杂电池材料研究，支持原位测试。Sun等发现碳包覆Li(4)Ti(5)0(12)提升性能，通过STXM-XANES与TEM确认碳层均匀覆盖，厚度约5nm，STXM揭示C、Ti、0在颗粒中的分布特别是C层覆盖情况[6]。

X射线吸收近边谱(XANES)

是标定元素及其价态的技术，不同化合物中同一价态的同一元素对特定能量X射线有高的吸收，称之为近边吸收谱。在锂电池领域中，XAS主要用于电荷转移研究，如正极材料过渡金属变价问题。

Kobayashi等用XANES研究了LiNi(0.80)Co(0.15)Al(0.05)0(2)正极材料。XANES检测到颗粒表面含有Li(2)Co(3)和其它额外立方相杂质[7]。

X射线荧光光谱分析(XRF)

利用初级X射线或微观离子激发物质原子产生荧光，进行成分与化学态分析。方法分波长色散的X射线光谱法和能量色散的X射线能谱法。据此，X射线荧光分析仪分光谱仪和能谱仪。

XRF广用于锂离子电池材料成分分析，部分元素检测灵敏度达10-9量级。

形貌表征

扫描电镜(SEM)

收集样品表面二次电子信息反映形貌与粗糙度，配EDS的SEM可分析元素种类、分布及含量。SEM虽分辨率逊于TEM，仍为电池材料表征基础工具。李文俊等设计新样品托架，用SEM研究金属锂电极在Li嵌入脱出时孔洞与枝晶形成过程[8]。

透射电镜(TEM)

材料表面与界面形貌特性在表面包覆及SEI文献中常见。TEM配能谱可分析元素种类与分布较SEM观察颗粒更小，高分辨TEM可观察晶格，原位TEM功能更强，可实时测量分析电池材料循环中形貌结构变化。黄建宇等用原位样品杆研究Sn02在离子液体中锂嵌脱过程，后改进实验装置，用Li上自然氧化锂作电解质，提升稳定性，保护电镜体[9,10]。

原子力显微镜(AFM)

纳米级平整表面的观察，在碳材料的表征中使用较多。

晶体结构表征

X射线衍射技术(XRD)

XRD技术可揭示材料晶体结构、结晶度、应力、取向、超结构等，反映块体材料平均晶体性质及晶胞参数变化，拟合后得原子占位信息。Thurston等首次将原位XRD应用于锂离子电池，利用同步辐射硬X射线观测电池中电极材料的晶格变化、相变及多相形成。

扩展X射线吸收精细谱(EXAFS)

EXAFS技术利用X射线与样品电子作用，吸收特定能量光子反映材料局部结构差异，具能量时间分辨力，获取晶体结构信息如径向分布、键长等。常需同步辐射光源。Jung等用EXAFS研究嵌Sn0(x)/Cu0(x)碳纳米负极，发现其无序结构促进Sn0(x)颗粒特殊分布，提升电化学性能[12]。

中子衍射(ND)

锂离子电池材料中，大原子阻碍X射线精确探测锂占位。中子对锂敏感，故中子衍射在研究中起关键作用。Arbi等利用中子衍射确定了LATP固态电解质中Li(+)占位[13]。

核磁共振(NMR)

NMR具备高能量与空间分辨力，可探测材料化学信息并成像，应用于枝晶反应、锂离子自扩散系数测定及颗粒内部相变研究。Grey等深入研究了NMR在锂电正极材料中的应用，发现NMR谱能揭示丰富的化学信息及局部电荷状态，包括顺磁/金属态材料探测，以及掺杂引起的电子结构微变，反映元素化合态。结合同位素示踪，还能研究电池副反应[14]。

球差校正扫描透射电镜(STEM)

用途:用来观察原子的排布情况、原子级实空间成像，可清晰看到晶格与原子占位;对样
品要求高;可以实现原位实验Oshima等利用环形明场成像的球差校正扫描透射显微镜(ABF-STEM)观察到了Li(2)VO(4)中Li、V、0在实空间的原子排布[151。

Raman

早期用拉曼光谱研究LiC(0)0(2)的晶体结构，LiC(0)0(2)中有两种拉曼活性模式，Co-0伸缩振动Alq的峰与0-Co一0的弯曲振动Eg的峰[16]。也多用于锂离子电池中碳材料石墨化程度的表征分析。

官能团的表征

拉曼光谱(RS)

拉曼光谱由印度物理学家拉曼发现，可揭示分子振动与转动信息，尤适低极性对称分子激发下展现强拉曼活性。在锂电电极材料表征中，为避干扰，结合原位技术使用。拉曼光谱对材料结构、配位及氧化态敏感，适用于过渡金属氧化物测量。针对灵敏度不足，采用Au、Ag等金属表面处理增强信号，即SERS。Peng等通过SERS证实锂空电池充放电中Li02为中间产物，放电为两步反应，充电为不对称一步反应，Li202难分解致充电极化大[17]。

傅里叶变换红外光谱(FT-IS)

红外光谱与拉曼相似，互补性强，专注分子振动吸收。红外光谱分近、中、远红外区，分别测倍频吸收、分子振动及转动信息。水极性强，干扰红外测量，需KBr压片处理样品。红外光谱常与傅里叶变换结合，成FITR，广泛应用于锂电电解液研究。Mozhzhukhina等通过红外光谱研究锂空电池电解液DMSO稳定性，发现超氧根离子攻击致其不稳，S02信号显现，反应难避，低电位下亦如此[18]。