Anwendung des Feldemissions-Rasterelektronenmikroskops bei der Inspektion von Lithium-Ionen-Membranen

I. Lithium-Ionen-Akku

Bei der Lithium-Ionen-Batterie handelt es sich um eine Sekundärbatterie, deren Funktion hauptsächlich auf der Bewegung von Lithiumionen zwischen den positiven und negativen Elektroden beruht. Während des Lade- und Entladevorgangs werden Lithiumionen durch die Membran zwischen den beiden Elektroden ein- und ausgebettet, und die Speicherung und Freisetzung von Lithiumionenenergie erfolgt durch die Redoxreaktion des Elektrodenmaterials.

Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus positivem Elektrodenmaterial, Membran, negativem Elektrodenmaterial, Elektrolyt und anderen Materialien. Unter anderem spielt das Diaphragma in der Lithium-Ionen-Batterie eine Rolle bei der Verhinderung des direkten Kontakts zwischen den positiven und negativen Elektroden und ermöglicht den freien Durchgang von Lithiumionen im Elektrolyten, wodurch ein mikroporöser Kanal für den Transport von Lithiumionen entsteht.

Die Porengröße, der Porositätsgrad, die Gleichmäßigkeit der Verteilung und die Dicke der Membran der Lithium-Ionen-Batterie wirken sich direkt auf die Diffusionsrate und Sicherheit des Elektrolyten aus, was einen großen Einfluss auf die Leistung der Batterie hat. Wenn die Porengröße des Diaphragmas zu klein ist, ist die Durchlässigkeit für Lithiumionen begrenzt, was die Übertragungsleistung von Lithiumionen in der Batterie beeinträchtigt und den Batteriewiderstand erhöht. Wenn die Öffnung zu groß ist, kann das Wachstum von Lithiumdendriten die Membran durchdringen und Unfälle wie Kurzschlüsse oder Explosionen verursachen.

Ⅱ. Die Anwendung der Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie zum Nachweis von Lithiummembranen

Mithilfe der Rasterelektronenmikroskopie können die Porengröße und die Gleichmäßigkeit der Verteilung des Diaphragmas beobachtet werden, aber auch der Querschnitt des mehrschichtigen und beschichteten Diaphragmas kann gemessen werden, um die Dicke des Diaphragmas zu messen. Herkömmliche kommerzielle Membranmaterialien sind meist mikroporöse Folien, die aus Polyolefinmaterialien hergestellt werden, darunter einschichtige Folien aus Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) und dreischichtige Verbundfolien aus PP/PE/PP. Polyolefin-Polymermaterialien sind isolierend und nicht leitend und sehr empfindlich gegenüber Elektronenstrahlen, was bei Betrachtung unter Hochspannung zu Aufladungseffekten führen kann und die Feinstruktur von Polymermembranen durch Elektronenstrahlen beschädigt werden kann. Das Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop SEM5000, das unabhängig von GSI entwickelt wurde, verfügt über die Fähigkeit einer Niederspannung und einer hohen Auflösung und kann die Feinstruktur der Membranoberfläche bei niedriger Spannung direkt beobachten, ohne die Membran zu beschädigen.

Der Diaphragma-Vorbereitungsprozess ist hauptsächlich in zwei Arten von Trocken- und Nassmethoden unterteilt. Das Trockenverfahren ist das Schmelzstreckverfahren, einschließlich des unidirektionalen Streckverfahrens und des bidirektionalen Streckverfahrens. Das Verfahren ist einfach, hat niedrige Herstellungskosten und ist ein gängiges Verfahren zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batteriemembranen. Die durch die Trockenmethode hergestellte Membran weist flache und lange Mikroporen auf (Abbildung 1), aber die vorbereitete Membran ist dicker, die Mikroporengleichmäßigkeit ist schlecht, die Porengröße und Porosität sind schwer zu kontrollieren, die Energiedichte der zusammengebauten Batterie ist niedrig und wird hauptsächlich verwendet in Low-End-Lithium-Ionen-Batterien.

Abbildung 1 Trockenstretchmembran/0,5 kV/Innenlinse

Der Nassprozess, also die thermogene Phasentrennung, umfasst das Mischen und Schmelzen von Polymeren mit hochsiedenden Lösungsmitteln usw. sowie die Herstellung mikroporöser Membranen durch den Prozess der Abkühlung, Phasentrennung, Streckung, Extraktion und Trocknung sowie Wärmebehandlung Gestaltung. Im Vergleich zum Trockenverfahren ist das Nassverfahren stabil und kontrollierbar, was zu einer dünnen Membrandicke, hoher mechanischer Festigkeit, gleichmäßiger Porengrößenverteilung und gegenseitiger Durchdringung führt (Abbildung 2). Obwohl die Kosten der im Nassverfahren hergestellten Membran höher sind als die des Trockenverfahrens, weist die zusammengebaute Batterie eine hohe Energiedichte und eine gute Lade- und Entladeleistung auf und wird hauptsächlich in Lithium-Ionen-Batterien der mittleren bis oberen Preisklasse verwendet. In Kombination mit dem von GSI unabhängig entwickelten Porengrößenanalysesystem können Porengröße und Porosität des Diaphragmas schnell und automatisch analysiert werden (Abbildung 3).

Abbildung 2 Nassdehnungsmembran/1KV/Inlens

Abbildung 3 Membranporengrößenanalyse/1KV/Inlens

Obwohl Membranen auf Polyolefinbasis in Lithium-Ionen-Batterien weit verbreitet sind, sind sie durch die mechanischen Eigenschaften, die Hitzebeständigkeit und die Oberflächeninertheit des Materials selbst begrenzt, und einfache Polyolefinmembranen können die Anforderungen an hohe Sicherheit und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien nicht erfüllen. Ionenbatterien. Aus diesem Grund ist eine Oberflächenmodifikation von Polyolefin-Diaphragmen erforderlich, um ihre mechanischen Eigenschaften, Wärmebeständigkeit und Affinität zu Elektrolyten zu verbessern. Eine der am häufigsten verwendeten Methoden ist die physikalische Beschichtung der Membranoberfläche. Anorganische Keramikmaterialien (Abbildung 4) zeichnen sich durch gute Hitzebeständigkeit, hohe chemische Stabilität und polare funktionelle Gruppen auf der Oberfläche aus, um die Benetzbarkeit des Polyolefin-Diaphragmas mit dem Elektrolyten zu verbessern. Daher werden sie häufig als beschichtete Partikel zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit verwendet und elektrochemische Eigenschaften des Diaphragmas. Abbildung 5 zeigt die Oberflächenmorphologie der Keramikoberfläche der Membran nach der Beschichtung mit anorganischen Keramikpartikeln.

Abbildung 4 Aluminiumoxid-Keramikpulver/5KV/BSED

Abbildung 5: Keramikbeschichtete Membran/1 kV/Innenlinse

1. III. Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop SEM5000

SEM5000 ist ein hochauflösendes, funktionsreiches Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop mit fortschrittlichem Zylinderdesign, Hochspannungs-Tunneltechnologie und magnetischem Objektivlinsendesign mit geringer Aberration und Leckage, um eine hochauflösende Bildgebung bei niedriger Spannung zu erreichen. Seine Bediensoftware ist mit einer optischen Navigation ausgestattet, um den Bedien- und Nutzungsprozess zu optimieren. Benutzer, ob erfahren oder nicht, können schnell loslegen und hochauflösende Aufnahmeaufgaben erledigen.