锂离子电池材料测试技术汇总

1、扫描电镜（SEM）

由于电池材料的观察尺度在亚微米即几百纳米到几微米的范围，普通光学显微镜无法满足观察的需求，而更高放大倍数的电子显微镜则经常被用来观察电池材料。

扫描电子显微镜（SEM）是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，主要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，即用极狭窄的电子束去扫描样品，通过电子束与样品的相互作用产生各种效应，其中主要是样品的二次电子发射。金鉴实验室拥有先进的测试设备和专业的技术团队，能够确保测试的准确性和可靠性，团队由国家级人才工程入选者和行业资深管理和技术专家组成，他们在扫描电子显微镜（SEM）测试有着丰富的工作经验。扫描电子显微镜可以观察到锂电材料的粒径大小和均匀程度，以及纳米材料自身的特殊形貌，甚至通过观察材料在循环过程中发生的形变我们可以判断其对应的循环保持能力好坏。如图1b所示，二氧化钛纤维具有的特殊网状结构能提供良好的电化学性能。
图1：（a）扫描电镜(SEM)的结构原理图；（b）SEM测试得到的图片（TiO2的纳米线）
1.SEM扫描电镜原理：如图1a所示，SEM是利用电子束轰击样品表面，引起二次电子等信号的发射，主要利用SE并放大、传递SE所携带的信息，按时间序列逐点成像，显像管上成像。
2.扫描电镜的特点：（1）图像立体感强、可观察一定厚度的样（2）样品制备简单，可观察较大的样（3）分辨率较高，30~40Å  （4）倍率连续可变，从4倍~~15万（5）可配附件，进行微区的定量、定性分析
3.观察对象：粉末、颗粒、块状材料都可以测试，测试前除保持干燥外，不需要特殊处理。主要用于观察样品的表面形貌、割裂面结构、管腔内表面的结构等。可直观反应材料的粒径尺寸特殊结构及分布情况。

2、TEM透射电子显微镜

图2：（a）TEM 透射电镜的结构原理图；（b）TEM测试照片（Co3O4纳米片）
1.原理：主要利用入射电子束穿过样品，产生携带样品横截面内部的电子信号，并经多级磁透镜的放大后成像于荧光板，整幅像同时成立。
2. 特点：（1）样品超薄，h<1000 Å
（2） 二维平面像，立体感差（3）分辨率高，优于2 Å（4） 样品制备复杂
3.观察对象：在溶液中分散的纳米级材料，使用前需要滴在铜网上，提前制备并保持干燥。主要观察样品内部超微结构，HRTEM高分辨透射电镜可以观察到材料对应的晶格和晶面。如图2b所示，观察二维平面结构具有更好的效果，相对于SEM的立体感差，但可以具有更高的分辨率，观察到更细微的部分，特殊的HRTEM甚至可以观察到材料的晶面和晶格等信息。

3、材料晶体结构测试

X射线衍射技术（XRD）是一种通过分析材料对X射线的衍射模式来探究其内部结构的科学工具。该技术能够揭示材料的成分、晶体结构、原子或分子的排列方式等关键信息。作为一种主要的物相和晶体结构分析手段，XRD在材料科学、化学、地质学等多个领域发挥着重要作用。
当X射线照射到物质上时，根据物质的组成和结构，会产生独特的衍射图谱。这些图谱反映了物质的晶型、分子间的成键方式、分子构型和构象等特征，XRD的优势在于它是一种无损检测方法，不会对样品造成任何损伤，同时具有高测量精度和快速分析的特点。
此外，XRD能够提供关于晶体完整性的详细信息，这使得它成为现代科学研究和工业生产中不可或缺的分析工具。随着技术的进步，XRD的应用范围不断扩大，为材料的结构和成分分析提供了一种高效、准确的解决方案。
图3：（a）锂电材料的XRD光谱；（b）X射线衍射仪的原理结构图
1.XRD原理：X射线衍射作为一电磁波投射到晶体中时，会受到晶体中原子的散射，而散射波就像从原子中心发出，每个原子中心发出的散射波类似于源球面波。由于原子在晶体中是周期排列的，这些散射球波之间存在固定的相位关系，会导致在某些散射方向的球面波相互加强，而在某些方向上相互抵消，从而出现衍射现象。每种晶体内部的原子排列方式是唯一的，因此对应的衍射花样是唯一的，类似于人的指纹，因此可以进行物相分析。其中，衍射花样中衍射线的分布规律是由晶胞的大小、形状和位向决定。衍射线的强度是由原子的种类和它们在晶胞中的位置决定。通过布拉格方程：2dsinθ=nλ，我们可以获得不同材料通过使用固定靶材激发的X射线在特殊θ角位置产生特征信号，即PDF卡片上标注的特征峰。
2.XRD测试特点：XRD衍射仪的适用性很广，通常用于测量粉末、单晶或多晶体等块体材料，并拥有检测快速、操作简单、数据处理方便等优点， 是一个标标准准的“良心产品”。不仅仅可用于检测锂电材料，大部分晶体材料都可以采用XRD测试其特定的晶型。图3a为锂电材料Co3O4所对应的XRD光谱，图上根据对应的PDF卡片标注了该材料的晶面信息。该图黑色对应块体材料结晶峰窄且高度明显，说明其结晶性很好。
3.测试对象及样品准备要求：粉末样品或表面平整的块状样品。粉末样品要求磨匀，样品表面要铺平，减小测量样品的应力影响。

4、电化学性能循环伏安法和循环充放电

在电化学领域，锂电池材料的测试至关重要，其中循环伏安法（CV测试）扮演着核心角色。这种方法通过精确控制电极电势，以三角波形进行扫描，实现电极上还原和氧化反应的交替进行。通过监测电流与电势的关系，可以绘制出电流电势曲线，进而分析电极反应的可逆性、中间体行为、相界吸附、新相形成以及偶联化学反应的特性。
CV测试不仅能够测量电极反应的动力学参数，还能揭示反应的控制步骤和机理。它是一种在电化学体系探索中首选的方法，因其能够提供丰富的定性信息，被誉为“电化学的谱图”。此外，CV测试的电极材料选择多样，包括汞、铂、金、玻璃碳、碳纤维微电极以及化学修饰电极等，增加了其在不同研究场景下的适用性。
尽管CV测试在定量分析方面的应用受到限制，它在定性分析中的价值不可小觑，为研究者提供了深入理解电极反应本质的有力工具。图4：（a）可逆电极的CV循环图；（b）电池的恒电流循环充放电测试