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课堂 | 电池组件的横截面离子束研磨(锂电池与铅酸电池栅板)

更新时间:2023-12-09      点击次数:712

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锂电池组件分步制备方案——包括机械预处理和离子束抛光,并使用徕卡显微系统 EM TXP 和 EM TIC 3X进行高质量扫描电镜分析。


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深入了解锂电池系统需要高质量的表面处理,以评估其内部结构和形态。然而,快速简单地制备原始横截面可能由于所涉及材料的性质和电池结构而变得困难。多数材料系统通常使用切割、包埋、研磨、抛光等纯机械方法制备横截面。在这种情况下,单纯的机械制备不足以对电池进行高分辨率的SEM分析。具体而言,电池正极的脆性材料在切割时可能会过度碎裂,而较软的材料(例如锂)在抛光时可能会涂抹掉多孔结构和膜结构,导致样品结构模糊、孔隙被覆盖并出现空隙。在这里,我们详细讨论了用于SEM分析的锂离子电池制备步骤,以及如何通过宽离子束研磨消除机械制备中的伪影


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宽离子束研磨利用离子化氩气轰击样品,并从样品中物理溅射原子。在横截面中进行切割(也称为斜面切割)时,如这里所示,碳化钨掩模位于离子束和样品之间,用于定义横截面的位置,并保护样品的前表面。如果操作得当,无论样品材料的性质或成分如何,斜面切割过程都会产生原始横截面。


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在本应用注意事项中,机械制备和宽离子束研磨相结合,用于制备电池系统的两个组件——锂镍锰钴氧化物/铝(Li-NMC/Al)电极和铅(Pb)板栅。对于两种样品,机械制备和离子研磨遵循相似的方案。使用徕卡显微系统EM TXP靶表面处理系统进行机械制备,这是一种高精度的台式设备,可用于锯、磨、抛光和碾磨样品,并可进行原位样品观察。在徕卡EM TIC3X宽离子束研磨系统上进行离子研磨,以获得最终的原始横截面。


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图1:EM TXP机械制备系统(左)和EM TIC3X宽离子束研磨机(右)。



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Li-MNC极片材料和铅栅板这两个样本都使用双组分环氧树脂安装在载玻片之间,然后固定在徕卡TIC3X样品架上,再使用TXP制备。将样品固定在载玻片之间为样品提供了额外支撑,也不必将样品包埋在环氧树脂等其他固定材料中。这也减少了需要削洗和抛光的表面积,并使样品在整个工作流程中都安装在单个样品托上。


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然后将样品安装在TXP夹头上,并使用金刚石研磨箔在TXP上研磨至9微米光洁度。然后将样品倾斜至60°角,并使用400粒度的碳化硅砂纸在正面载玻片上磨出斜面。这从横截面表面移除了多余的玻璃,减少了离子研磨器工作量,因此加快了离子研磨过程并增加了产量。制备时间大约20分钟。


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然后将样品托直接安装在TIC3X适配器上,用于室温下斜面切割标准阶段中的离子研磨。每个样品在8 kV下研磨。Li-MNC电极的研磨时间是3小时,铅栅板是6小时。样品尺寸不同导致研磨时间有差异。


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图1和2展示了Li-MNC电极样品的SEM图像。图1显示了该样品完整的层级堆叠,包括用于安装样品的两片玻璃和电极的氧化物/金属夹层结构。图2显示了感兴趣的样品材料更高倍数的放大图像。这些图像中样品光滑无缺的表面体现出制备品质。这些结果可用于确定电极材料中的颗粒尺寸和分布。此外,可以对整个电极样品以及各层进行精确的厚度测定。同样令人感兴趣的是结构中央位于多孔膜和金属膜之间的界面。这些图像显示了金属膜如何与多孔层的纹理保持一致(用红色箭头表示),如果结构中存在分层,也可以从这些图像中看出。


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图2:Li-NMC电极完整样品的SEM图像展示了位于结构中央的两个多孔层和金属膜。

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 图3:Li-MNC电极结构更高放大倍数的SEM图像。



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图3显示了铅栅板样品的SEM图像。从这些图像中可以观察到高质量的横截面。样品表面处于原始状态,铅栅板的颗粒结构清晰可见,没有任何额外的蚀刻。从这个样品中,可以分析粒度和定位,虽然没有在该样品上拍摄到,但是这种处理质量通常适合于电子背散射衍射(EBSD)分析。在这些图像中,我们可以清楚地看到粒度变化很大的区域——有些区域的晶粒相当粗,有些区域的晶粒结构非常细。晶界也很容易看到。


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图4:铅栅板样品的低倍放大(左)和高倍放大(右)SEM图像。

样品由东宾夕法尼亚制造公司提供。样本制备和图像由JH技术公司的Jerome Pons提供。


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