日立應(yīng)用｜固態(tài)電池電極的原位觀察

液態(tài)鋰電池是目前新能源領(lǐng)域最主要的能源解決方案，但是不論是磷酸鐵鋰還是三元材料都很難突破350Wh/kg的能量密度，在提高能量密度的同時還伴隨著很多安全隱患。而固態(tài)電池與傳統(tǒng)鋰電池更大的區(qū)別在于電解質(zhì)，它使用固體電解質(zhì)代替了電解液和隔膜。

固態(tài)電池的優(yōu)點

1、固態(tài)電解質(zhì)大大降低熱失控風(fēng)險；

2、固態(tài)電池電化學(xué)窗口更高,可以匹配高能的電極,大幅提高理論能量密度；

3、固態(tài)電池可以簡化封裝,縮減電池重量,提高體積能量密度。

固態(tài)電池現(xiàn)階段的發(fā)展障礙

1、大部分固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率較低,快充性能不佳；

2、循環(huán)過程中物理接觸變差,影響使用壽命；

3、制備工藝復(fù)雜。

而固態(tài)電池電極之間、電極與電解質(zhì)之間的形貌和結(jié)構(gòu)對于電池整體的性能和安全性有重要的影響，也是研究固態(tài)電池性能的關(guān)鍵。目前，日本在固態(tài)電池領(lǐng)域的研究相對領(lǐng)先，其中以氧化物、硫化物路線為主。本文中我們利用日立掃描電鏡、離子研磨儀、真空轉(zhuǎn)移系統(tǒng)和原位樣品臺等設(shè)備，對固態(tài)電池在充放電過程中電極之間的形貌和結(jié)構(gòu)變化進行了觀察。

固態(tài)電池正極中含有金屬鋰，在空氣狀態(tài)下容易發(fā)生反應(yīng)，因此我們需要對整個制樣和觀察過程隔絕空氣。日立獨特的真空轉(zhuǎn)移系統(tǒng)可以將樣品在手套箱、電子顯微鏡、離子研磨儀以及原子力顯微鏡之間隔絕空氣轉(zhuǎn)移，從而避免了樣品在轉(zhuǎn)移過程中的氧化。

由于固態(tài)電池的電極界面需要通過切割才可以觀察到，本文采用日立的離子研磨儀（IM4000Plus）對整個電池進行無損切割，從而獲得電池電極的界面。離子研磨儀采用Ar離子加工，可以大大減少加工損傷，同時加工過程是在真空下完成的，配合真空轉(zhuǎn)移系統(tǒng)可以將樣品轉(zhuǎn)移到掃描電鏡中觀察。

為了實現(xiàn)通電狀態(tài)下的原位觀察，我們采用了可以原位通電的樣品臺，且此樣品臺可以配合真空轉(zhuǎn)移系統(tǒng)工作，可以保證樣品從離子研磨儀切割完后隔絕空氣轉(zhuǎn)移到原位樣品臺上，再通過掃描電鏡的交換倉轉(zhuǎn)移至樣品倉觀察。

本次觀察的固態(tài)電池由NCA（Ni-Co-Al）正極、硫化物固態(tài)電解質(zhì)和銦對極組成，分別對電極施加不同的電壓和時間，觀察電極界面的變化。從下圖（a）可見，在施加3.1V電壓時，固態(tài)電極和銦對極之間有一層In-Li合金層；從（b）圖可見在施加3.5V電壓60min后合金層向In層擴散（箭頭所示）；從（c）圖可見在施加3.7V電壓110min后，Li的擴散更加明顯。由此可見，在高電壓或者長時間通電下In-Li合金層會逐漸變寬，Li向In層逐漸擴散。整個過程都是通過日立高端冷場電鏡Regulus8230在低電壓下觀察實現(xiàn)的。Regulus8230可以在低電壓下獲得背散射電子圖像，看到In-Li合金層與電極之間的成分襯度，從而判斷Li是否擴散。

(a)電壓3.1V(b)電壓3.5V,60min(c)電壓3.7V,110min

SEM型號:Regulus8230,加速電壓:1.5kV,放大倍率:1,000x,信號:HABSE

日立為固態(tài)電池的原位觀察提供了離子研磨儀、真空轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、原位樣品臺和掃描電鏡一整套方案，可以滿足新能源客戶對鋰電池形貌和結(jié)構(gòu)的研究。