新應(yīng)用—KLA納米壓痕儀對電池材料的測量

電池的應(yīng)用極為廣泛，其通常以電化學(xué)反應(yīng)池的形式為各類裝置供電。電池內(nèi)在失效和劣化對電池性能有重大影響，而其機(jī)制依賴于不同組成材料之間的電化學(xué)反應(yīng)和納米力學(xué)相互作用。下一代電池要求高能量密度和高充放電倍率（C-rate，充放電速率的一種衡量標(biāo)準(zhǔn)）。為此，業(yè)界在新材料、制造工藝和集成工藝等方面做出了巨大努力，以優(yōu)化電池在更寬溫度范圍內(nèi)的性能。

為了提高良率并擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，了解電池的失效模式及其根本原因至關(guān)重要。典型的電池失效模式可分為三類：力學(xué)失效、熱失效和電氣失效。

01電池制造

典型的電池制造流程包括原料準(zhǔn)備、漿料混合、涂布、壓延、 分切、堆疊和封裝等步驟，如圖1所示。在整個流程中，納米壓痕技術(shù)可用于以下多種測量：

·       正極漿料顆粒的壓縮強(qiáng)度（直徑1-20微米）

·       粘結(jié)劑材料的復(fù)模量

·       正極復(fù)合材料涂層的壓痕硬度和模量

·       固態(tài)電解質(zhì)的壓痕硬度和模量

·       負(fù)極涂層的壓痕硬度和模量

·       疊層結(jié)構(gòu)的斷裂韌性和壓痕開裂測試 

圖1. 全固態(tài)電池(ASSB)大規(guī)模制造示意圖。聚合物和固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合材料具有良好的機(jī)械加工性能，并能減小隔膜厚度從而提高電芯能量密度。圖片來源：Tan等。

納米壓痕技術(shù)使電池研究能夠在微米尺度開展，從而在電極和原料顆粒兩個層面上評估納米力學(xué)性能。基于此，可以實現(xiàn)的目標(biāo)包括：

·       通過測量壓痕硬度、模量、斷裂韌性等， 促進(jìn)在材料缺陷尺度上對新興電池材料性能的研究，以及對失效機(jī)制的研究。

·       推動循環(huán)充放電后的電池可靠性評估，從而防止失效。

·       優(yōu)化組件/材料在更寬溫度范圍內(nèi)的性能，從而增強(qiáng)電池的熱安全性和熱管理特性。 

02正極力學(xué)響應(yīng)測量

KLA Instruments™ 的納米力學(xué)測試系統(tǒng)提供多種不同的測試 方法。在測試涂敷在銅箔上的商用石墨復(fù)合材料時，我們開發(fā)的測試方法可以控制驅(qū)動力的施加、信號傳感、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)計算和結(jié)果呈現(xiàn)等。

圖2（上）展示了彈性模量測量值隨深度的變化，插圖為LiNiCoMnO2表面的SEM圖像。圖2（下）展示了正極硬度測量值隨深度的變化，插圖為作動器的示意圖。設(shè)備提供不同的測試模式，以適配表面粗糙度不同的各類材料。

圖2. 正極材料模量（上）和硬度（下）隨壓入深度的變化，插圖分別為LiNiCoMnO2表面的SEM圖像和KLA作動器示意圖。SEM 圖像來源：MTI Corporation。

03正極復(fù)合材料的高速納米力學(xué)性能成像

使用NanoBlitz 3D功能，可以對材料表面進(jìn)行納米力學(xué)性能成像，其在用戶特定區(qū)域運(yùn)行壓痕點陣，每1秒即可完成一個壓痕點的數(shù)據(jù)測量。

圖3展示了一種鋰離子電池正極的模量（上）和硬度（下）云圖，該正極中包含鋰鎳錳鈷氧化物（LiNiCoMnO2：5:2:3）活性顆粒的混合物。

圖3. 正極涂層的彈性模量（上）和硬度（下）的納米壓痕成像。

下圖的圖4中，在正極涂層表面標(biāo)示了進(jìn)行NanoBlitz 3D成像的區(qū)域。與傳統(tǒng)的連續(xù)剛度測量(CSM)方法相比，NanoBlitz 3D納米壓痕測試具有更高的信噪比，并能快速區(qū)分樣品中各物相的力學(xué)性能及其空間分布，因而是一種極為實用的測試方法。

圖4. NanoBlitz 3D測試區(qū)域如正極表面上的方框所示。

04單個顆粒原位壓縮

制造過程常會發(fā)生顆粒開裂，這將導(dǎo)致進(jìn)一步的有害副反應(yīng)。使用KLA Instruments的InSEM® 原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)，可以對顆粒開裂進(jìn)行原位觀察并同步測量顆粒的壓縮強(qiáng)度，其還可以原位測量復(fù)合涂層的力學(xué)性質(zhì)。

下圖的圖5展示了顆粒壓縮測試之前及之后的InSEM視頻圖像。

圖5-01. 顆粒壓縮測試之前的InSEM 視頻圖像

圖5-02. 顆粒壓縮測試之后的InSEM 視頻圖像

下圖的圖6展示了相應(yīng)的顆粒的載荷-壓縮量曲線（上）和斷裂應(yīng)力（下）。

圖6. 原位顆粒壓縮中的載荷-壓縮量曲線（上）和測得的斷裂應(yīng)力（下）

05粘結(jié)劑的粘彈響應(yīng)測量

我們的ProbeDMATM技術(shù)可用于粘結(jié)材料的局部動態(tài)力學(xué)分析(DMA)測試。其優(yōu)勢在于，可通過納米壓痕儀定位表面的特定位置，以量化研究樣品局部的力學(xué)性能。圖7比較了干燥和潮濕條件下，測量得到的粘結(jié)劑儲存模量，測試頻率為10Hz。

圖7. 粘結(jié)劑在干燥和潮濕條件下的儲存模量（左）。在電解液中進(jìn)行納米壓痕測量（右）。圖片來源：Toyo Corporation。

06可變的電池材料測試環(huán)境

納米壓痕實驗通常在大氣條件下進(jìn)行，但是某些電池材料要求在液體或高溫條件下進(jìn)行納米力學(xué)測試，其可能適于在手套箱內(nèi)開展。KLA Instruments的iMicro和iNano®系統(tǒng)設(shè)計緊湊、體積小巧，非常適于此類應(yīng)用。

圖8展示了Nano Indenter® G200與手套箱聯(lián)用的測試系統(tǒng)，可以用于在電解液池中研究材料性能。測試時手套箱可以充氬氣，以評估材料在氬氣和液體環(huán)境下的納米力學(xué)性質(zhì)。

圖8. Nano Indenter® G200與手套箱聯(lián)用的范例， 可以測量樣品在氬氣和液體環(huán)境下的力學(xué)響應(yīng)。圖片來源：Scalco de Vansconcelos等。

07納米壓痕技術(shù)

在電池制造與研究中的用途與意義

電池制造的工藝步驟繁復(fù)，工藝的差別將影響電池中各層的均勻性和界面粘結(jié)強(qiáng)度等性能。電池材料研究中，要求在各類應(yīng)用場景和環(huán)境條件下對材料行為和性能進(jìn)行測試，包括大氣、液體、氣氛和真空條件等。KLA Instrument的納米壓痕技術(shù)可以為電池材料研究或電池制造提供關(guān)鍵的納米力學(xué)性能數(shù)據(jù)。