LIBIAS | 鋰離子電池異物分析系統

2022-09-19

近年來, 隨著電動車的快速發展, 新能源研究重新被人們重視。鋰離子電池因其清潔、充放電快、高能量密度等優點廣泛應用于電動汽車。

如今，鋰離子電池與人們的生活息息相關，然而由于不可避免地使用易揮發、易燃成分，以及異物顆粒的存在，含有鋰離子電池的設備發生燃燒爆炸等危險事故的現象也時有發生。因此，國內外電池廠家對鋰離子電池正極材料中金屬及磁性異物含量要求也愈發嚴格，鋰離子電池材料的質量特別是磁性和金屬異物的控制水平已成為鋰離子電池安全問題的關鍵之一。

圖一鋰離子電池中的異物顆粒

目前行業對鋰電正極材料中金屬及磁性異物的分類識別主要有以下三個方面：金屬及非金屬大顆粒、磁性異物、Cu/Zn單質。產生的方式大致可分為原材料帶入和制造過程中產生；此外，在實際生產過程中，金屬異物還有可能通過空氣、物料和人員等在車間內的流通而傳播，比如，在極耳焊接和切割類工序中，容易引入金屬異物Al和Cu。鋰離子電池金屬異物，通常指的是鋰離子電池正負極材料中帶有的微量的鐵，銅，鋅，鉻等金屬雜質。尺寸較大的金屬顆粒會直接刺穿隔膜，尺寸較小殘留在單體內的金屬異物在電池化成階段會先在正極氧化再到負極還原，當負極處的金屬單質累積到一定程度會形成枝晶，導致隔膜穿孔，造成電池內部短路、擴大電池的自放電率，嚴重時甚至會電池起火、爆炸。

圖二鋰離子電池產生的金屬異物刺穿隔膜

除此之外，在電池正極材料合成過程中產生的磁性異物也會引起電池內短路而出現自放電現象，從而導致電池安全性降低。因此，磁性異物含量也是衡量鋰離子電池正極材料安全性能的一個重要指標。當前，國內外鋰離子電池廠家對正極材料中磁性異物的含量要求一般為小于100ppb，而鋰離子電池正極材料廠家對正極材料前驅體中的磁性異物含量要求更為嚴格，一般為小于50ppb。

圖三鋰離子電池充放電過程中產生的磁性異物刺穿隔膜

清潔度最早是用于航空工具，特別是發動機上的顆粒物及數量測試。由于企業在生產過程中，或者受到工藝要求的限制，產生了一種不是產品需要的，而且可能會對產品質量、可靠性和壽命產生嚴重影響的有害物質，通常被稱為污染物。清潔度檢測在智能制造和工業制造幾乎所有的零部件質檢中都難以缺席，對鋰離子電池材料，金屬異物/磁性異物的清潔度分析同樣重要。然而目前尚無關于正極材料中磁性/金屬異物篩選的相關國家標準，但有汽車清潔度以及負極材料相關標準參照。

圖四鋰離子電池石墨類負極材料國家標準

為了有效控制鋰離子電池正負極材料中非金屬/金屬/磁性異物的含量，一般會使用專業的設備與軟件對初篩后的原材料中異物顆粒進行形貌與成分統計。以往行業內通常采用光鏡或手動測量的方法，然而這些傳統檢測方式往往在數據結果的準確性、全面性、一致性上有或多或少的不足，給精確檢測帶來比較大的挑戰。

目前，鋰電池材料中異物顆粒的檢測主要面臨的問題有：

異物來源廣、溯源難

鋰電池正極或負極材料中金屬異物來源廣泛，比如不銹鋼成分的異物（如Fe、Cr）主要來源于原料和生產工藝（混漿、激光切割等），Cu、Ni多來源于焊接。使用光學顯微鏡只能識別金屬或非金屬顆粒，并不能給出當前顆粒的成分，從而給異物溯源帶來很大困難。

圖一同一顆粒分別在光學顯微鏡、電子顯微鏡下的圖像及EDS能譜識別顆粒主要成分為Fe

數據量大、費時費力

通常用濾膜來收集鋰電池原料中的異物顆粒，而一般磁選或篩分法收集的顆粒往往多達數千甚至幾萬顆，在清潔度測試中我們需要多方位覆蓋濾膜所有區域并測試所有顆粒的形態及成分信息。人為測量尺寸并逐一測定成分將耗費大量時間，隨機誤差也比較大，使用專業軟件全自動、多方位的檢測將是今后鋰電池正負極材料清潔度檢測的趨勢。