技术文章

随着手机、数码产品、电动汽车的普及，锂电池在人们生活中扮演着越来越重要的角色。随之而来，锂电池的性能和安全问题成为人们关注的焦点。除了某些外部因素如过充、火源、挤压、穿刺、短路等，以及在锂电池电极制造、装配等过程中的质量控制起到很大影响之外，主要影响因素来源于以下几个方面：（1）正极材料：当锂离子电池使用不当时，导致电池内部温度过快升高，造成正极材料中的活性物质分解和电解液的氧化，从而产生大量热量，使得电池过热，引起燃烧甚至爆炸。（2）负极材料：如果以金属锂做负极材料，电池经过多次充放电后容易产生锂枝晶，进而刺破隔膜，导致电池短路、漏液。目前常用嵌锂化合物作为负极材料，有效避免锂枝晶的产生，提高安全性。（3）隔膜与电解液：锂电池的电解液通常为锂盐（如六氟磷酸铝）与有机溶剂（如碳酸酯）的混合溶液，电池温度较高时下易发生热分解。

锂电池的生产环节上游为原材料的开采、加工和冶炼环节；中游涵盖了正极材料、负极材料、电解液以及隔膜的生产；下游主要涉及电芯制造和Pack封装。各个环节都需要用到仪器分析以确保品质符合要求。 珀金埃尔默致力于提供专业、可靠的锂电池检测解决方案，助力锂电安全发展。

元素分析方案

正极、负极、电解液等锂电池关键材料中的元素含量对成品质量有重大影响，是锂电原材料质控的关键项目。Ni、Co、Mn、Li等常量元素的含量决定了正极材料的性能表现；杂质元素含量决定了锂电池安全等性能。

1. ICP-MS应用

锂电池的关键材料中的杂质元素的浓度，对电池的充放电性能起到至关重要的作用。通常情况下，金属元素杂质的分析可以采用ICP-OES方法，但由于其仪器原理的局限，无法满足部分浓度较低杂质元素的检测。ICP-MS检出限相比ICP-OES更低，能很好地解决这一问题。针对锂电池元素杂质分析，珀金埃尔默NexION系列ICP-MS具备如下优势：（1）采用AMS全基体进样系统，在线通入稀释气，配合大锥孔设计，有效解决高酸及高颗粒样品中易堵塞锥口的问题；（2）采用四极杆离子偏转器（QID）偏转四级杆，离子90度偏转，可以获得优异的基体耐受性、仪器稳定性以及更低的记忆效应；（3）单颗粒(SP)-ICP-MS技术有效检测铜颗粒、含铜颗粒的数量及粒径分布。

2. ICP-OES应用

除了锂电池关键材料中的杂质元素外，正极材料，尤其是三元材料中主量元素的比例直接决定了锂电池的性能表现。珀金埃尔默Avio系列ICP-OES除了可以检测杂质元素，还能针对主量元素进行准确测定，助力电池质量精准控制。Avio系列ICP-OES检测锂电池样品具有以下优势：（1）实时内标法带来0.1%的测试稳定性，非常适合主量元素测定；（2）专项权利的双向观测能同时满足测定高浓度与低浓度的需求；（3）电解液类含有机溶剂样品可稀释后直接进样；（4）*的扣除光谱干扰功能，解决了ICP-OES分析复杂基体样品中的谱线干扰问题；(5）氩气消耗量低，节省成本。

材料表征方案

在锂离子电池发展的过程当中，需要大量信息来帮助我们对材料和器件进行数据分析，以得知其各方面的性能。

1. 红外光谱应用

傅里叶红外光谱技术（FT-IR）是锂电池研发过程中的一种重要的材料表征手段。它能提供化学键和官能团的具体信息，以确定氧化降解过程中影响锂电池性能的瞬时锂态和杂质情况。采用红外光谱和红外成像技术，可以表征粘结剂和隔膜材料在充放电过程中的化学键变化及劣化情况。珀金埃尔默红外光谱仪配备了一系列先进的创新设计，旨在为锂电池产品研发提供的光谱分析能力。其中Spectrum 3系列还可以升级为具有衰减全反射（ATR）图像功能的 Spotlight?400红外成像系统，极小样本也能实现高分辨检测，并通过红外光谱数据可视化地展示材质成分。

2. 热分析应用

锂离子充电电池所使用的材料的耐热稳定性（热分解、产生气体等）测试非常重要。例如隔离材料，其结晶结构可左右电池性能。另外，如果在封装过程中使用了环氧类固化材料，则需要对其固化度进行检测。使用由热分析仪器与光谱及质谱等仪器联用组合而成的逸出气体分析系统，为您提供可获取材料正确信息的有效快速的分析方法。珀金埃尔默联用系统的应用优势：（1）DSC 8500采用功率补偿型设计原理，能真实直接测量能量和温度而非温度差；（2）DMA 8000自由旋转的测试头，可旋转180度，从而在任何合适的方位进行装样测试；（3）珀金埃尔默提供从色谱、质谱、光谱和热分析等全面产品支持，可将不同产品联合使用，充分利用各个仪器的优势，产生协同效技，达到单次试验，获得多个结果的目的。

失效分析方案

气相色谱及气相质谱可进行电解液（包括添加剂）成分分析、溶剂组分含量测定，以及石墨类负极材料有机物含量测试。可通过分析充放电后的电解液确认组成比例的变化及分解成分等，进而有助于判断电池失效的原因。珀金埃尔默Arnel^? Model 4017可用于分析电池内部产生的气体，常见产气成分有H₂、CO、CO₂ 等永性气体以及CH₄、C₂H₄、 C₂H₆ 等烷烃类气体，从而推测电池的内部状态。

珀金埃尔默产品在锂电材料检测中的应用概览