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用扫描电镜研究锂电池 发布者：飞纳电镜 电池革命性地改变了电子世界，使我们能够随身携带能量存储装置。在电池研发领域中， 微型化和高效化是两个最重要的概念，它们会作用于电池材料的性能、提升电池的使用极 限。下面让我们来看看研究人员是如何利用扫描电镜 （SEM ）对电池材料进行表征并获取 相关信息的。 电池主要由三个部分组成 ：两种 由不同材料制成的电极和夹在它们中间的隔膜。由于两种 电极化学成分不同，它们可以发生化学反应，电能即可从随后发生的氧化还原反应过程中 释放出来。即，储存在电极中的化学能被转换成电能，这一过程可以为电子设备供电。 通过数十年不断地研发和技术突破，电池已经从早期又大又笨重的形态逐渐演变成了小到 可以轻松塞进智能手表里。在长时间的演变进程中，电池的理论模型一直没有发生任何变 化，推动电池体积变小容量变大的核心因素是电池材料的革新。 电池的设计——要考虑什么 ？ 在设计电池结构时，精确地把控和平衡电池体积和容量，使二者关系高度匹配势必将大幅 度提升产品力。研发过程中，一些比较常见且重要的参数如下： 1 • 额定电压 代表电池可以输出多大的电压。例如汽车和手表需要的能量相差甚远 ，要求的电池电压也 不尽相同，通过选用不同材质和类型的电极可以改变这一参数。 • 自放电率 电池不能永远保持有电的状态，即存储在电池中的电能会随时间逐渐减少，甚至流失。这 在某些应用场景中或许可以接受，但是在另一些场景中，比如放在空调或电视遥控器中的 电池掉电，就非常令人恼火，因为我们通常会间隔很久才会用一两次这类遥控器。温度也 会很大程度上影响电池的自放电率，这就是手机电池在冬天掉电很快的原因。 • 充/放电循环 对于可充电电池来讲，充电和放电的过程通常进行得比较频繁，充放电循环次数的增多会 逐渐损坏电池的内部结构（特别是电极），导致电池容量随使用时间的增多而逐渐减少。 对电极材料的形状和成分进行优化可以改善这一现象，甚至可以得到经过数千次循环还能 保持 90%额定容量的电池。 • 能量密度 这一概念代表单位体积可容纳的电能 ，通过对电极成分进行改良可以提升能量密度；除此 之外，改变电极形状，增加两个电极可以发生有效化学反应的面积，从而优化空间利用效 率也是一种经常被用于提升能量密度的手段。另外，大幅度减小电池组件的尺寸也是电池 越来越小的原因之一。 2 • 安全 减小电池元件尺寸有一定概率导致电极绝缘性的下降，这有可能会引发一些风险，比如电 池发热甚至爆炸（你可能还记得不久前一些智能手机厂商就在这个问题上苦苦挣扎）。当 电池隔膜在应力作用下破裂 ，就非常容易发生这样的危险。 利用扫描电镜提高电池质量 上述参数均可以和电池材料的成分和形貌联系起来，通过选用合适的分析设备，对这些参 数实行控制会变得异常容易。 图 1 ：左图为锂电池正极的扫描电镜（SEM ）图像 ，右图为锂电池负极的扫描电镜 （SEM ）图像。扫描电镜（SEM ）是研究微米或纳米级小颗粒的理想工具。 3