LIBS對固態(tài)鋰離子電池的深度剖析

在當今社會(huì )，智能手機和平板電腦等電子設備正成為人類(lèi)日?；顒?dòng)的重要組成部分。這些電子產(chǎn)品不斷發(fā)展，使其結構更緊湊、重量更輕，這也就對電池的功率輸出和壽命提出了越來(lái)越高的要求。為了使鋰離子電池在每個(gè)充電周期實(shí)現更高的功率密度和更長(cháng)的壽命，要評估和開(kāi)發(fā)電池組件的不同化學(xué)成分。

本文介紹了激光誘導擊穿光譜(LIBS)對鋰離子電池重要元件化學(xué)組成的關(guān)鍵元素進(jìn)行深度分析的能力。

典型的元素分析技術(shù)，如ICP-OES和ICP-MS，不能揭示這些部件的結構信息。另一種流行的元素分析技術(shù)XRF無(wú)法為鋰離子電池電極的重要元素提供元素覆蓋，例如Li、B、C、O、F、N。其它表面和深度分析技術(shù)，需要結構復雜的真空儀器，如二次離子質(zhì)譜（SIMS）、輝光放電質(zhì)譜（GD-MS）、俄歇電子能譜（AES）和X射線(xiàn)光電子能譜（XPS），檢測速度慢或價(jià)格昂貴。LIBS可提供鋰離子電池組件在實(shí)驗室或工廠(chǎng)的深度分析能力，具有快速、靈敏度高、精確度高、全元素分析等特點(diǎn)。

圖1 固態(tài)鋰離子電池典型器件結構

樣品分析：

本次分析使用了由鋰金屬(負極)、LiPON (固態(tài)電解質(zhì))和LiCoO₂ (正極)組成的樣品。

在分析之前，使用Applied Spectra的J200 LIBS(非檢測模式)先去除了圖1所示組件結構中的集流層，然后在充滿(mǎn)氦氣的樣品室中分析鋰離子電池樣品，以消除大氣中氧發(fā)射線(xiàn)的干擾，提高氧元素測量的準確性。數據分析使用Applied Spectra的LIBS數據軟件包。每一次脈沖激光產(chǎn)生的待測元素發(fā)射線(xiàn)均被監測，然后繪圖。待測元素包括Li、P、O、Co、Ti和Si。這些元素是代表負極、固態(tài)電解質(zhì)、正極、電流導體和基質(zhì)的主要元素。

圖2 鋰離子電池器件結構的元素深度剖析(鋰金屬負極、LiPON固態(tài)電解質(zhì)、LiCoO₂正極和置于玻璃基板上鈦集電器)

在圖2中，將不同組分的特征元素與原子發(fā)射線(xiàn)的檢測數據相結合，很容易看出何時(shí)開(kāi)始剝蝕電池的各個(gè)層。例如，鋰金屬負極的激光剝蝕會(huì )伴隨著(zhù)強的鋰元素發(fā)射信號。剝蝕進(jìn)入LiPON固態(tài)電解質(zhì)層時(shí)，檢測到P發(fā)射信號。同樣，Co和O發(fā)射線(xiàn)可以用來(lái)跟蹤LiCoO₂正極層的剝蝕，并評估正極層內的相對成分變化。并且根據每個(gè)激光脈沖的剝蝕深度和每一組件層的剝蝕次數，我們亦可計算出每層電池組件的厚度。

由上可見(jiàn)，LIBS提供了一種快速且經(jīng)濟有效的方法來(lái)了解不同鋰離子電池組件在多次充電循環(huán)或制造過(guò)程中漂移后可能產(chǎn)生的化學(xué)變化。分析速度快，適用于大量樣品的QC檢測。有了LIBS，鋰離子電池工業(yè)就可以在提高產(chǎn)品穩定性和產(chǎn)量的同時(shí)，監控工藝變化對關(guān)鍵化學(xué)組分的影響。

本文為富爾邦專(zhuān)業(yè)工程師整編

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