激光共聚焦显微镜在锂电池领域的应用

近年来由于国家在新能源汽车领域的大力扶持，以特斯拉为代表一批新能源汽车企业正在快速占领市场。什么是新能源汽车呢？广义上的新能源汽车是指代用燃料汽车，包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、醇醚燃料汽车、天然气汽车等六大类。

其中最为人们所熟知的要数纯电动汽车，锂离子电池则是如今电动汽车上使用得最多的动力电池技术，这归功于它的高能量密度和单体电池中增长的功率，使得这类电池以低廉的价格发展出更小的质量和密度。但是锂离子电池在使用或储存的过程中会出现一定概率的失败，包括容量衰减、循环寿命短、内阻增大、电压异常、析锂、漏液、短路、变形、热失控等，严重降低了锂电池的使用性能、可靠性和安全性。

如何对锂电池失效进行准确诊断并探究其失效机理是锂电池失效分析的主要任务，同时对锂电池性能的提升和技术发展也具有深远的意义。

一．锂电池失效分析介绍

1.锂电池失效含义

锂电池的失效主要是指由某些特定的原因导致电池性能衰减或使用性能异常。锂电池的失效主要分为：（1）性能失效（2）安全性失效。性能失效主要是指锂电池的性能达不到使用要求和相关指标，包括：容量衰减、循环寿命短。倍率性能差、一致性差、易自放电、高低温性能衰减等。安全性失效主要指锂电池由于使用不当或者滥用，出现的具有一定安全风险的失效，主要有热失控、胀气、漏液、析锂、短路、膨胀形变等。

2. 锂电池失效成因

锂电池失效现象分为显性和隐性。显性是指可以直接观察的表现和特征，例如锂电池表面结构破碎和形变（膨胀、变形、漏液、封装材料破损及畸变，封装材料毛刺、虚焊或漏焊等）。隐形指的是不能直接观测而需要通过拆解、分析后得到或者是模拟实验中所展现的表现和特征（正负极短路、析锂、极片掉粉、隔膜老化、隔膜阻塞、隔膜穿刺、电解液干涸、电解液变性失效、负极溶解、过渡金属析出（含析铜）、极片毛刺、卷绕（或叠片）异常、电压异常、电阻过高、循环寿命异常、高/低温性能异常等）。

锂电池的失效的根本原因是材料的失效，常见的锂电池失效原因有活性物质的结构变化、活性物质相变、活性颗粒出现裂纹或破碎、过渡金属溶出、体积膨胀、固体电解质界面(SEI)过度生长、SEI分解、锂枝晶生长、隔膜老化失效、隔膜孔隙阻塞、极片出现偏析、材料团聚、电芯设计异常、电芯分容老化过程异常等。从锂电池失效原因研究内容可将其分为外因和内因。其中外因包括撞击、腐蚀、高温燃烧、人为破坏等外部因素；而内因主要指的是失效的物理、化学变化本质, 研究尺度可以追溯到原子、分子尺度, 研究失效过程的热力学、动力学变化.。

既然我们已经知道了锂电池失效的成因，那么该如何进行有效的检测呢？激光共聚焦显微镜将会是一个很好的帮手。

光学显微镜在锂电池检测中的应用（NS3500，Nanoscope Systems, 韩国纳兹克）

案例一. 极片三维形貌及缺陷、异物检测

案例二. 极耳毛刺检测

案例三.极耳缺陷检测

结论

激光共聚焦显微镜凭借无损检测，3D量化的技术优势，在锂电池质量控制，失效分析等领域解决了传统显微镜无法进行3D表征的问题，为未来锂电池技微观结构，自动化缺陷识别提供了解决方案