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極還原，當負極處的金屬單質累積到一定程度會形成枝晶，導致隔膜穿孔，造成電池內部短路，提高電池的自放電率，嚴重時甚至會電池起火、爆炸，影響電池的安全性能。目前對金屬異物的管控水平已經(jīng)成為衡量鋰離子電池正極材料生產(chǎn)線最核心的指標之一。

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準也基本沿用燃油汽車清潔度標準（德國的汽車工業(yè)聯(lián)合會推出的 VDA19）的相關概念。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，得到了廣泛應用。

光學顯微鏡檢測的原理及結果

金屬表面的物理特性決定了光線不能進入金屬物質，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內部），經(jīng)過非金屬物質內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。主要是因為銅離子更容易在負極析出，析出后的生長方式呈現(xiàn)枝晶狀，很容易刺穿隔膜。并且，銅的電導率比鐵高了一個數(shù)量級，一旦銅枝晶刺穿隔膜，極易導致電池內部短路，進一步導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成分，而光學顯微鏡只能區(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為腐蝕等原因而不反光，呈現(xiàn)暗色。這些金屬顆粒在光學顯微鏡下，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)，這些顆粒通過光學顯微鏡確認為非金屬。然而，掃描電鏡SEM+EDX 分析顯示了這些顆粒的金屬性質。

3.3 對小尺寸顆粒的統(tǒng)計準確性較低

光學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確性也較低。以下與 SEM+EDX 統(tǒng)計結果的比較，顯示了光學顯微鏡的錯誤分類有多嚴重。由汽車供應商提供的同一片濾膜，分別進行了光學顯微鏡的顆粒分析以及掃描電鏡SEM+EDX 的測試分析，并進行了比較。結果顯示，通過光學顯微鏡檢測的金屬顆粒數(shù)，不到實際金屬顆粒的 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，并回溯至對應的生產(chǎn)工序，進行針對性的管控，從而提升產(chǎn)線的清潔度水平。

由以上分析可知，光學顯微鏡提供的關于金屬顆粒形態(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運而生。Phenom ParticleX 以臺式掃描電鏡和能譜儀為硬件基礎，可以全自動對顆粒或雜質進行快速識別、分析和分類統(tǒng)計，為客戶的研發(fā)以及生產(chǎn)提供快速、準確和可靠的定量數(shù)據(jù)支持。小編將在下一篇為大家詳細講述。