圖1：鋰離子電池的組成示意圖

       鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。隨著對鋰離子電池的研究不斷深入，電池工業(yè)界正在迅速向更高能量密度和更低成本的電池技術(shù)努力，以達(dá)成零碳排放的目標(biāo)。

       但是目前在鋰電池使用或儲存過程中仍會出現(xiàn)一定概率的失效，一類是鋰離子電池的材料自身缺陷引起的失效，例如正負(fù)極的結(jié)構(gòu)衰退，電解液分解，隔膜的老化等；另一類是鋰離子電池使用及存儲環(huán)境引起的失效，例如環(huán)境溫度過高，充放電過快，過度充放等，都嚴(yán)重降低了鋰電池的使用性能、一致性、可靠性和安全性。

圖2：鋰離子電池失效模式

       雖然產(chǎn)品的誕生伴隨著失效，但只要充分了解失效原因，掌握分析失效的方法和利器，就能從根本上找到并解決失效問題。對于鋰電池來說，其失效歸根結(jié)底是材料的失效。例如，正極材料因局部Li+脫嵌速率不一致導(dǎo)致材料所受應(yīng)力不均而產(chǎn)生的顆粒破碎；硅負(fù)極材料因充放電過程中發(fā)生體積膨脹收縮而出現(xiàn)的破碎粉化；隔膜孔隙阻塞等。電池性能和電池材料性質(zhì)有著息息相關(guān)的關(guān)系，準(zhǔn)確把握材料的特性，是解決電池問題并提升電池性能的重要途徑之一。

軟件特點簡介

匯鴻智能科技是一家專注于工業(yè)領(lǐng)域微觀智能圖像分析應(yīng)用解決方案服務(wù)商。以“堅持原創(chuàng)，用信息技術(shù)引領(lǐng)工業(yè)分析”為愿景，可以為用戶提供全場景的鋰電池智能化顯微分析解決方案。匯鴻智能科技研發(fā)的”LIBMAS—鋰離子電池材料顯微智能分析系統(tǒng)”（以下簡稱LIBMAS），將高分辨性能的掃描電鏡與智能化的分析軟件相結(jié)合，解決從鋰電原材料，到正負(fù)極極片、隔膜，鋰電清潔度全系列的鋰離子電池相關(guān)分析，助力研究人員開發(fā)出性能更*的鋰電產(chǎn)品。

       針對傳統(tǒng)軟件自動化程度不足，操作復(fù)雜的弊端，匯鴻智能科技可為客戶量身定制專屬軟件，滿足客戶所有需求，采用先進(jìn)AI技術(shù)及圖像處理技術(shù)，可快速準(zhǔn)確進(jìn)行單晶團(tuán)聚識別、二次顆粒分布均勻性、開裂球識別、截面孔隙統(tǒng)計、隔膜材料孔隙分析等鋰電池材料分析。

應(yīng)用案例

01

01開裂球、截面孔隙識別

       通常在制備三元正極材料時，采用共沉淀法使亞微米一次粒子致密堆積成球形二次粒子，但這種堆積結(jié)構(gòu)容易形成裂紋，導(dǎo)致電池性能衰減。

圖1：軟件智能區(qū)分開裂球和普通球

       通過匯鴻LIBMAS，可快速統(tǒng)計并計算開裂球占比，獲得開裂球裂縫信息，從而改善工藝條件，如圖1。

       在鋰電池中，鋰離子在正極晶格中反復(fù)脫嵌，隨著電流密度和顆粒尺寸的增加，僅僅幾個循環(huán)就出現(xiàn)晶間裂紋。而產(chǎn)生的裂紋對電池性能、SOC、以及鋰離子傳輸路徑都會有一定影響。

圖2：二次球截面孔隙識別

       正極顆粒內(nèi)部通常為二次球顆粒形成的多晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致正極晶格在循環(huán)中容易發(fā)生各向異性體積變化，而產(chǎn)生孔隙。我們將二次球顆粒拋開，發(fā)現(xiàn)循環(huán)充放電后的顆粒截面出現(xiàn)大量裂痕，如圖2。使用LIBMAS對截面孔隙進(jìn)行識別，以輪廓中心點為圓心畫出同心圓，以各同心圓圓環(huán)內(nèi)的孔隙率計算同心圓孔隙率RSD，見圖3。

圖3：二次球截面孔隙率統(tǒng)計及RSD計算

02

02團(tuán)聚顆粒識別

       正極三元顆粒通常需要在高溫純氧下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)而成的三元產(chǎn)品一般具有典型的團(tuán)聚體形貌，即由粒徑約幾百納米的一次粒子組成的粒徑在幾個到十幾個微米之間的二次顆粒。

圖4：一次顆粒團(tuán)聚形成的二次球顆粒識別

       通常團(tuán)聚體顆粒內(nèi)部較為密實，一次粒子之間連接處存在晶界。通過匯鴻LIBMAS可高效識別一次顆粒大小（長、寬、周長、面積等）以及分布情況，如圖4、圖5。

圖5：軟件自動區(qū)分團(tuán)聚顆粒及團(tuán)聚顆粒截面

       相對于單獨的納米粒子，這種形貌的團(tuán)聚體顆粒具有比表面積小，顆粒流動性好，壓實密度高和電極漿料可加工性好等優(yōu)點。

       然而在團(tuán)聚體反復(fù)的充放電過程中，團(tuán)聚體內(nèi)部也反復(fù)經(jīng)受一次顆粒體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊，容易在一次顆粒之間的晶界處發(fā)生破碎。破碎后的顆粒不僅增大了活性物質(zhì)的比表面積，進(jìn)而加劇了活性物質(zhì)和電解液之間的副反應(yīng)。而且破碎后的一次粒子之間失去了有效的電接觸，也進(jìn)一步增加了電極材料的阻抗，不利于循環(huán)性能的保持。

03單晶顆粒識別

圖6：單晶顆粒的識別

       團(tuán)聚體的破碎受多種因素影響。減小體積變化程度可以減小應(yīng)力應(yīng)變對團(tuán)聚體的損傷；另外，從前驅(qū)體和燒結(jié)工藝入手以盡可能增強燒成的團(tuán)聚體顆粒內(nèi)部密實度，增強一次粒子之間的結(jié)合力，從而提高團(tuán)聚體顆粒抗破碎的能力。

       另外，相比易產(chǎn)生顆粒粉碎的多晶正極材料，許多研究已經(jīng)開始從晶體結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，探究單晶三元正極材料的性能，結(jié)果表明單晶三元具有更好的機(jī)械強度，從而抑制顆粒破碎，在高溫循環(huán)方面也具有更好的熱穩(wěn)定性。諸如此類的研究都需要準(zhǔn)確識別出單晶顆粒及其內(nèi)部分布情況，匯鴻LIBMAS可以自動識別團(tuán)聚顆粒中輪廓清晰的單晶顆粒，并測量、統(tǒng)計其直徑，如圖6、7。   

圖7：單晶顆粒尺寸統(tǒng)計及分布圖

04大小二次球識別

       除此之外，匯鴻LIBMAS還可以精準(zhǔn)識別圖像上所有大二次球顆粒與小顆粒，根據(jù)面積判斷計算大顆粒與小顆粒分布的均勻性。如圖8、9。

圖9：大小二次球顆粒分布均勻性統(tǒng)計

05隔膜孔隙率統(tǒng)計

       鋰電池隔膜作為鋰電池的重要組成部分，是具有納米級微孔結(jié)構(gòu)的高分子功能材料，其主要功能是防止兩極接觸而發(fā)生短路，同時使電解質(zhì)離子通過。相關(guān)研究證實，隔膜的微孔孔徑分布越均勻，電池的電性能越優(yōu)異。

       孔徑的分布主要采用掃描電子顯微鏡( SEM) 進(jìn)行觀測，但僅靠肉眼觀測圖片，對孔隙率的表征存在一定誤差且效率低下。因此，若要更準(zhǔn)確形象地獲得材料的孔隙率，需要將圖像處理軟件與SEM 結(jié)合，以實現(xiàn)隔膜孔隙分布及其定量分析的需求。

圖10：隔膜孔隙識別及孔隙率統(tǒng)計

       匯鴻LIBMAS可以快速獲取隔膜的孔隙率信息，檢測隔膜孔隙率、孔隙直徑及纖維直徑并統(tǒng)計分析，從而形象地描述隔膜表面的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，提高鋰電池隔膜孔隙率評定的準(zhǔn)確性，如圖10、11。

圖11：隔膜孔隙率統(tǒng)計結(jié)果及孔隙面積分布圖

       針對鋰電行業(yè)的特殊需求，匯鴻智能科技開發(fā)了一整套智能化鋰離子電池材料分析系統(tǒng)。匯鴻智能科技公司是一家前沿微觀AI圖像分析生態(tài)平臺開發(fā)公司，以“AI 即專家”為使命， 驅(qū)動AI技術(shù)，加速實驗室智能化升級，構(gòu)建實驗室全場景智慧，為工業(yè)分析和質(zhì)量控制賦能。