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課堂 | 電池組件的橫截面離子束研磨（鋰電池與鉛酸電池柵板）

更新時(shí)間：2023-12-09 點(diǎn)擊次數(shù)：820

鋰電池組件分步制備方案——包括機(jī)械預(yù)處理和離子束拋光，并使用徠卡顯微系統(tǒng) EM TXP 和 EM TIC 3X進(jìn)行高質(zhì)量掃描電鏡分析。

深入了解鋰電池系統(tǒng)需要高質(zhì)量的表面處理，以評(píng)估其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形態(tài)。然而，快速簡(jiǎn)單地制備原始橫截面可能由于所涉及材料的性質(zhì)和電池結(jié)構(gòu)而變得困難。多數(shù)材料系統(tǒng)通常使用切割、包埋、研磨、拋光等純機(jī)械方法制備橫截面。在這種情況下，單純的機(jī)械制備不足以對(duì)電池進(jìn)行高分辨率的SEM分析。具體而言，電池正極的脆性材料在切割時(shí)可能會(huì)過(guò)度碎裂，而較軟的材料(例如鋰)在拋光時(shí)可能會(huì)涂抹掉多孔結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致樣品結(jié)構(gòu)模糊、孔隙被覆蓋并出現(xiàn)空隙。在這里，我們?cè)敿?xì)討論了用于SEM分析的鋰離子電池制備步驟，以及如何通過(guò)寬離子束研磨消除機(jī)械制備中的偽影。

寬離子束研磨利用離子化氬氣轟擊樣品，并從樣品中物理濺射原子。在橫截面中進(jìn)行切割(也稱為斜面切割)時(shí)，如這里所示，碳化鎢掩模位于離子束和樣品之間，用于定義橫截面的位置，并保護(hù)樣品的前表面。如果操作得當(dāng)，無(wú)論樣品材料的性質(zhì)或成分如何，斜面切割過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生原始橫截面。

在本應(yīng)用注意事項(xiàng)中，機(jī)械制備和寬離子束研磨相結(jié)合，用于制備電池系統(tǒng)的兩個(gè)組件——鋰鎳錳鈷氧化物/鋁(Li-NMC/Al)電極和鉛(Pb)板柵。對(duì)于兩種樣品，機(jī)械制備和離子研磨遵循相似的方案。使用徠卡顯微系統(tǒng)EM TXP靶表面處理系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械制備，這是一種高精度的臺(tái)式設(shè)備，可用于鋸、磨、拋光和碾磨樣品，并可進(jìn)行原位樣品觀察。在徠卡EM TIC3X寬離子束研磨系統(tǒng)上進(jìn)行離子研磨，以獲得最終的原始橫截面。

圖1：EM TXP機(jī)械制備系統(tǒng)(左)和EM TIC3X寬離子束研磨機(jī)(右)。

Li-MNC極片材料和鉛柵板這兩個(gè)樣本都使用雙組分環(huán)氧樹脂安裝在載玻片之間，然后固定在徠卡TIC3X樣品架上，再使用TXP制備。將樣品固定在載玻片之間為樣品提供了額外支撐，也不必將樣品包埋在環(huán)氧樹脂等其他固定材料中。這也減少了需要削洗和拋光的表面積，并使樣品在整個(gè)工作流程中都安裝在單個(gè)樣品托上。

然后將樣品安裝在TXP夾頭上，并使用金剛石研磨箔在TXP上研磨至9微米光潔度。然后將樣品傾斜至60°角，并使用400粒度的碳化硅砂紙?jiān)谡孑d玻片上磨出斜面。這從橫截面表面移除了多余的玻璃，減少了離子研磨器工作量，因此加快了離子研磨過(guò)程并增加了產(chǎn)量。制備時(shí)間大約20分鐘。

然后將樣品托直接安裝在TIC3X適配器上，用于室溫下斜面切割標(biāo)準(zhǔn)階段中的離子研磨。每個(gè)樣品在8 kV下研磨。Li-MNC電極的研磨時(shí)間是3小時(shí)，鉛柵板是6小時(shí)。樣品尺寸不同導(dǎo)致研磨時(shí)間有差異。

圖1和2展示了Li-MNC電極樣品的SEM圖像。圖1顯示了該樣品完整的層級(jí)堆疊，包括用于安裝樣品的兩片玻璃和電極的氧化物/金屬夾層結(jié)構(gòu)。圖2顯示了感興趣的樣品材料更高倍數(shù)的放大圖像。這些圖像中樣品光滑無(wú)缺的表面體現(xiàn)出制備品質(zhì)。這些結(jié)果可用于確定電極材料中的顆粒尺寸和分布。此外，可以對(duì)整個(gè)電極樣品以及各層進(jìn)行精確的厚度測(cè)定。同樣令人感興趣的是結(jié)構(gòu)中央位于多孔膜和金屬膜之間的界面。這些圖像顯示了金屬膜如何與多孔層的紋理保持一致(用紅色箭頭表示)，如果結(jié)構(gòu)中存在分層，也可以從這些圖像中看出。

圖2：Li-NMC電極完整樣品的SEM圖像展示了位于結(jié)構(gòu)中央的兩個(gè)多孔層和金屬膜。

圖3：Li-MNC電極結(jié)構(gòu)更高放大倍數(shù)的SEM圖像。

圖3顯示了鉛柵板樣品的SEM圖像。從這些圖像中可以觀察到高質(zhì)量的橫截面。樣品表面處于原始狀態(tài)，鉛柵板的顆粒結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，沒(méi)有任何額外的蝕刻。從這個(gè)樣品中，可以分析粒度和定位，雖然沒(méi)有在該樣品上拍攝到，但是這種處理質(zhì)量通常適合于電子背散射衍射(EBSD)分析。在這些圖像中，我們可以清楚地看到粒度變化很大的區(qū)域——有些區(qū)域的晶粒相當(dāng)粗，有些區(qū)域的晶粒結(jié)構(gòu)非常細(xì)。晶界也很容易看到。

圖4：鉛柵板樣品的低倍放大(左)和高倍放大(右)SEM圖像。

樣品由東賓夕法尼亞制造公司提供。樣本制備和圖像由JH技術(shù)公司的Jerome Pons提供。