上醫治未病 治之于未燃 | 電子探針精準鎖定鋰電池起火潛藏誘因

導讀

得益于節能、環保及良好的駕乘體驗等方面的一系列優勢，新能源汽車銷量節節攀升、屢創新高，隨之而來的電池安全問題也日益凸顯，自燃、起火等報道時常沖上熱搜頭條。電池起火、爆炸的常見誘因之一是電池極片生產過程中可能混入的金屬異物顆粒，這些顆粒存在刺穿隔膜導致電池短路的隱患。在極片上排查是否存在微小的金屬異物，不啻于大海撈針。然而，利用島津電子探針超大范圍掃描模式，廣域、逐幀搜索，可快速、精準鎖定極片中金屬異物，扼殺安全隱患于搖籃，治之于未“燃”。

極片中金屬異物小科普

鋰電池極片制作流程繁雜，在電極漿料制備過程、極片輥涂、切割、卷繞工序中均有可能混入金屬異物或產生切割毛刺或金屬碎屑等等。極片中混入尺寸較大的金屬異物顆粒，可能會直接刺穿隔膜，導致正負極之間短路。或者當金屬異物混入正極后，充電之后正極電位升高，高電位下金屬異物發生溶解，通過電解液擴散，然后負極低電位下溶解的金屬再在負極表面析出并堆積，最終刺穿隔膜，形成短路。

正極極片中金屬異物顆粒刺穿隔膜后導致短路放電示意圖

案例分享

利用島津電子探針超大范圍掃描模式，廣域、逐幀搜索，可快速、精準鎖定極片中金屬異物。

島津EPMA-8050G型場發射電子探針

電池極片中常見混入的金屬異物有Fe、Cu、Zn、Al、Sn、不銹鋼等，以含Fe異物為例，為排查某正極極片中是否混入含Fe金屬異物，首先在視場1.0×0.8mm下進行Fe元素的低倍大區域面掃描（島津電子探針最大掃描范圍可高達90×90mm），結果見圖1。圖1-2中黃色方框標示處，明顯可見有Fe元素的富集；為進一步清晰顯示異常富集情形，對圖1黃色方框逐級放大至4000倍。如圖2所示。

為了更為直觀的顯示Fe元素富集位置，將Fe元素面分布圖與背散射電子像進行疊加顯示，如圖3所示。圖3中紅色標記區域即為Fe元素富集位置。

圖3 背散射電子像下Fe元素富集位置

分別選擇典型的Fe元素富集位置（圖3中黃色數字1標示處）及常規位置（如圖3中黃色數字2標示處）進行微區成分定性分析，定性譜圖見圖4、圖5。

圖4 Fe元素富集位置（位置1）定性分析結果

圖5 常規位置（位置2）定性分析結果

由定性結果可知，與常規區域（位置2）相比，Fe元素富集位置處（位置1）除Fe元素富集外，還檢出了微量的P、Ti元素（詳見局部放大譜圖6）。

圖6 定性譜圖局部放大顯示（位置1、位置2）

據此，電池生產企業可排查具體是哪個工藝環節可能會引入諸如Fe、P、Ti等元素的污染，進而優化制備工藝，杜絕產品安全隱患。

結語

島津電子探針集成有兼具高分辨率和高靈敏度的電子成像系統及波譜成分分析系統，可實現顯微形貌觀察及微區成分分析的有機結合，真正做到了“成分分析的可視化”，最大可實現90mm×90mm超大區域的直接掃描成像及元素面分析，通過撒大網、細聚焦的方式，逐步精準鎖定極片中金屬異物，進而助力鋰電池生產企業對極片中的金屬異物進行篩查、剖析，從而在生產源頭上做到精益把控，真正做到有的放矢、治病于未發。

撰稿人：崔會杰、趙同新

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