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鋰離子電池的發展背景

從早期的鋰金屬陽極開始，到今天的商用鋰離子電池，鋰基電池技術在過去的三十年中有了顯著的發展，其中的故事充滿了突破性和歷史進展。鋰離子電池的歷史可以追溯到1962年。第一批電池在單次放電后不能再充電(原電池)，其負極材料為鋰，正極材料為二氧化錳，由三洋公司在1972年推出。1985年，Moli能源公司開發了第一個基于鋰(負極)和硫化鉬(正極)的可充電電池(二次電池)。然而，由于負極上的鋰，這種設計存在安全問題。通往鋰離子電池的下一步是在電極的兩側涂覆上涂層，這使得鋰可以儲存和移除，并且具有高電壓電位。索尼公司研發了第一款可充電鋰離子電池，并于1991年推出，這里負極的活性物質為碳，正極的活性物質為鈷酸鋰。

從一開始，最具挑戰性的工作之一就是選擇最佳的電極化合物，特別是正極化合物。高循環穩定性和可接受的比容量的要求限制了電極材料的選擇。在正極使用涂有金屬氧化物顆粒的鋁箔，在負極使用涂有石墨的銅箔是最常見的組合之一。圖1顯示了傳統鋰離子電池的結構，箔片可以被單面或兩面涂覆。各種鋰金屬氧化物化合物被應用于正極，其中層狀氧化物例如Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2可以獲得較高的比容量。與富Ni/ co化合物相比，富Mn化合物的價格更低，因此對制造商更有利。

圖1. 傳統鋰離子電池的結構

鋰離子電池質量控制的程序之一是對電池蓋、外殼、點焊處以及電極進行金相分析。由于這些部件的材料不同，所以需要不同的制備方法。本系列文章將分段討論各種部件的制備目標和方法。

電池蓋和外殼的金相制備

電池外殼作為電池系統有源和無源元件的位置，對儲能系統的功能、安全性和使用壽命起著決定性的作用。它保護那些敏感的部件免受有害環境的影響，如水，濕氣，或灰塵，是長期安全可靠運行的關鍵。由于汽車電池通常位于車廂外部，一般位于地板區域，電池外殼無可避免地暴露于極端環境影響下，例如溫度、濕度、飛濺水、鹽霧、灰塵或石屑等。因此，在惡劣的外部條件下，電池外殼的高機械穩定性和耐腐蝕性至關重要。

電池外殼的質量控制程序之一是金相制樣和隨后在光學顯微鏡及SEM（掃描電子顯微鏡）下的檢查。用QATM Qcut 200 A精密切割機上的旋轉夾具可以很方便地切割電池的蓋帽。圖2顯示了如何將樣品夾持在切割機中以切開電池蓋并取出極芯。

圖2.在旋轉夾具中夾緊鋰離子電池以切開蓋帽并取出極芯

鋰離子電池的殼體和蓋帽的制備方法參見表1。在大多數情況下，電池蓋是由鐵素體鋼制成的，帶鎳基涂層。在這里，適當的制備可以消除諸如倒角、錯誤的力和方向導致的涂層損壞、基材以及鎳涂層涂抹等許多假象。表格中的制備方法是QATM根據其特定的設備和耗材開發的制備方法，保證制樣后的結果更為準確。

表1. 鋰離子電池蓋和外殼的磨拋制備參數

電池蓋和外殼的檢測

用3%硝酸酒精溶液腐蝕鋰離子電池蓋樣品得到的顯微組織為帶涂層的鐵素體基體（圖3）。有時為了測量蓋帽的晶粒度，可以用Klemm I腐蝕劑進行彩色腐蝕（圖4）。

圖3：鋰離子電池蓋用3%硝酸酒精溶液腐蝕后的顯微組織

圖4：鋰離子電池蓋用KlemmI彩色腐蝕劑腐蝕后的顯微組織

下圖為掃描電鏡下電池蓋的背散射電子像。此外,使用掃描電子顯微鏡的EDS能譜探測器，可以測量涂層的化學成分。

圖5：電池蓋的背散射電子像，頂部的涂層清晰可見

QATM Qpix Inspect金相軟件中的涂層厚度測量模塊可以依據國際標準ISO 1463（金屬和氧化物覆蓋層.覆蓋層厚度的測定.顯微鏡法）對電池蓋的涂層進行精準的半自動測量（如圖6所示），并以表格和線圖的形式提供層厚度的統計值。

圖6. 通過Qpix Inspect軟件進行層厚測量，最終得到的層厚為5.1um。

進一步的質量控制可以通過測試鋰離子電池蓋和外殼的硬度來進行。在這個案例中，QATM的Qness60A + EVO顯微硬度計被用于測試方法為HV1(維氏硬度，載荷1kg)的硬度測試，得到的結果為蓋的硬度：117.3HV，外殼的硬度：210.6HV。圖7顯示了壓痕的位置及圖像。

圖7.鋰離子電池蓋及外殼的HV1硬度測試

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