鋰電池清潔度分析：從光鏡到電鏡（上）

為什么要做鋰電池清潔度分析？

金屬異物對鋰電池安全性的影響

鋰離子電池正極材料中金屬異物（包括鐵、鎳、銅、鋅、鉻等）的含量對鋰電池的性能有較大影響。金屬異物在電池化成階段會先在正極氧化再到負(fù)極還原，當(dāng)負(fù)極處的金屬單質(zhì)累積到一定程度會形成枝晶，導(dǎo)致隔膜穿孔，造成電池內(nèi)部短路，提高電池的自放電率，嚴(yán)重時甚至?xí)姵仄鸹?、爆炸，影響電池的安全性能。目前對金屬異物的管控水平已?jīng)成為衡量鋰離子電池正極材料生產(chǎn)線最核心的指標(biāo)之一。

由于動力鋰電池的最終客戶為汽車公司（如大眾，寶馬，戴姆勒等），對于金屬異物的檢測標(biāo)準(zhǔn)也基本沿用燃油汽車清潔度標(biāo)準(zhǔn)（德國的汽車工業(yè)聯(lián)合會推出的 VDA19）的相關(guān)概念。VDA19 中對于異物的評估方法主要包括：稱重法，光鏡法、電鏡法、拉曼法等，其中光鏡法和電鏡法作為可視化的方法，得到了廣泛應(yīng)用。

光學(xué)顯微鏡檢測的原理及結(jié)果

金屬表面的物理特性決定了光線不能進(jìn)入金屬物質(zhì)，它會像鏡子般把所有入射光全部反射出去。入射光在經(jīng)由金屬表面反射后，其反射光與入射光具有相同的振動方向。如果反射光通過兩片平行的偏振片，金屬顆粒呈現(xiàn)亮色；如果反射光通過兩片垂直的偏振片，金屬顆粒呈現(xiàn)純黑色。

入射光在經(jīng)過非金屬物質(zhì)后，其振動方向會發(fā)生改變（主要原因是光可以射入非金屬物質(zhì)內(nèi)部），經(jīng)過非金屬物質(zhì)內(nèi)部后再出來的反射光不再具有偏振性，其方向也會發(fā)生改變。反射光通過平行和垂直的偏振片時，其亮度變化不大。

通過記錄、對比顆粒在不同偏振光下的圖片，而后鑒別出金屬和非金屬顆粒。具體測試結(jié)果如下：

光鏡檢測的局限性

3.1 無法區(qū)分金屬顆粒的詳細(xì)分類

并非所有金屬顆粒都具有相同的危害性，例如，在對大量失效電池進(jìn)行拆解分析后發(fā)現(xiàn)，相對于不銹鋼，銅的危害性更高。主要是因?yàn)殂~離子更容易在負(fù)極析出，析出后的生長方式呈現(xiàn)枝晶狀，很容易刺穿隔膜。并且，銅的電導(dǎo)率比鐵高了一個數(shù)量級，一旦銅枝晶刺穿隔膜，極易導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，進(jìn)一步導(dǎo)致電池過熱甚至起火。為了有效評估金屬顆粒的危害性，需要知道顆粒的詳細(xì)成分，而光學(xué)顯微鏡只能區(qū)分金屬和非金屬，但具體是哪類金屬則無從得知。

3.2 會造成金屬與非金屬的誤識別

根據(jù)光反射原理的分析，要求濾膜上的金屬顆粒要反光發(fā)亮。由于污染物顆粒在零件加工過程中暴露于液體、高溫和摩擦環(huán)境中，因此它們的表面會因?yàn)楦g等原因而不反光，呈現(xiàn)暗色。這些金屬顆粒在光學(xué)顯微鏡下，會被錯誤地分類為非金屬顆粒。在如下示例中，顯示了三個顆粒(鋅，鋼和鋁)，這些顆粒通過光學(xué)顯微鏡確認(rèn)為非金屬。然而，掃描電鏡SEM+EDX 分析顯示了這些顆粒的金屬性質(zhì)。

3.3 對小尺寸顆粒的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性較低

光學(xué)顯微鏡的分辨率較低（相比電子顯微鏡要低 2-3 個數(shù)量級），其對小尺寸顆粒的測試準(zhǔn)確性也較低。以下與 SEM+EDX 統(tǒng)計(jì)結(jié)果的比較，顯示了光學(xué)顯微鏡的錯誤分類有多嚴(yán)重。由汽車供應(yīng)商提供的同一片濾膜，分別進(jìn)行了光學(xué)顯微鏡的顆粒分析以及掃描電鏡SEM+EDX 的測試分析，并進(jìn)行了比較。結(jié)果顯示，通過光學(xué)顯微鏡檢測的金屬顆粒數(shù)，不到實(shí)際金屬顆粒的 1/60。

3.4 無法分析顆粒的可能來源

鋰電池清潔度分析的意義，一方面是對清潔度的水平進(jìn)行評估，另一方面，希望通過對金屬顆粒的分析，確定其產(chǎn)生原因，并回溯至對應(yīng)的生產(chǎn)工序，進(jìn)行針對性的管控，從而提升產(chǎn)線的清潔度水平。

由以上分析可知，光學(xué)顯微鏡提供的關(guān)于金屬顆粒形態(tài)和成分的信息有限，無法分析顆粒的可能來源，對清潔度水平的提升幫助有限。

因此，全自動鋰電池清潔度分析方案應(yīng)運(yùn)而生。Phenom ParticleX 以臺式掃描電鏡和能譜儀為硬件基礎(chǔ)，可以全自動對顆?；螂s質(zhì)進(jìn)行快速識別、分析和分類統(tǒng)計(jì)，為客戶的研發(fā)以及生產(chǎn)提供快速、準(zhǔn)確和可靠的定量數(shù)據(jù)支持。小編將在下一篇為大家詳細(xì)講述。