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電池革命性地改變了電子世界，使我們能夠隨身攜帶能量存儲裝置。在電池研發(fā)領(lǐng)域中，微型化和化是兩個重要的概念，它們會作用于電池材料的性能、提升電池的使用極限。下面讓我們來看看研究人員是如何利用掃描電鏡（SEM）對電池材料進(jìn)行表征并獲取相關(guān)信息的。

電池主要由三個部分組成：兩種由不同材料制成的電極和夾在它們中間的隔膜。由于兩種電極化學(xué)成分不同，它們可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，電能即可從隨后發(fā)生的氧化還原反應(yīng)過程中釋放出來。即，儲存在電極中的化學(xué)能被轉(zhuǎn)換成電能，這一過程可以為電子設(shè)備供電。

通過數(shù)十年不斷地研發(fā)和技術(shù)突破，電池已經(jīng)從早期又大又笨重的形態(tài)逐漸演變成了小到可以輕松塞進(jìn)智能手表里。在長時間的演變進(jìn)程中，電池的理論模型一直沒有發(fā)生任何變化，推動電池體積變小容量變大的核心因素是電池材料的革新。

電池的設(shè)計——要考慮什么？

在設(shè)計電池結(jié)構(gòu)時，地把控和平衡電池體積和容量，使二者關(guān)系高度匹配勢必將大幅度提升產(chǎn)品力。研發(fā)過程中，一些比較常見且重要的參數(shù)如下：

• 額定電壓

代表電池可以輸出多大的電壓。例如汽車和手表需要的能量相差甚遠(yuǎn)，要求的電池電壓也不盡相同，通過選用不同材質(zhì)和類型的電極可以改變這一參數(shù)。

• 自放電率

電池不能永遠(yuǎn)保持有電的狀態(tài)，即存儲在電池中的電能會隨時間逐漸減少，甚至流失。這在某些應(yīng)用場景中或許可以接受，但是在另一些場景中，比如放在空調(diào)或電視遙控器中的電池掉電，就非常令人惱火，因為我們通常會間隔很久才會用一兩次這類遙控器。溫度也會很大程度上影響電池的自放電率，這就是手機電池在冬天掉電很快的原因。

• 充/放電循環(huán)

對于可充電電池來講，充電和放電的過程通常進(jìn)行得比較頻繁，充放電循環(huán)次數(shù)的增多會逐漸損壞電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（特別是電極），導(dǎo)致電池容量隨使用時間的增多而逐漸減少。對電極材料的形狀和成分進(jìn)行優(yōu)化可以改善這一現(xiàn)象，甚至可以得到經(jīng)過數(shù)千次循環(huán)還能保持90%額定容量的電池。

• 能量密度

這一概念代表單位體積可容納的電能，通過對電極成分進(jìn)行改良可以提升能量密度；除此之外，改變電極形狀，增加兩個電極可以發(fā)生有效化學(xué)反應(yīng)的面積，從而優(yōu)化空間利用效率也是一種經(jīng)常被用于提升能量密度的手段。另外，大幅度減小電池組件的尺寸也是電池越來越小的原因之一。

• 安全

減小電池元件尺寸有一定概率導(dǎo)致電極絕緣性的下降，這有可能會引發(fā)一些風(fēng)險，比如電池發(fā)熱甚至爆炸（你可能還記得不久前一些智能手機廠商就在這個問題上苦苦掙扎）。當(dāng)電池隔膜在應(yīng)力作用下破裂，就非常容易發(fā)生這樣的危險。

利用掃描電鏡提高電池質(zhì)量

上述參數(shù)均可以和電池材料的成分和形貌起來，通過選用合適的分析設(shè)備，對這些參數(shù)實行控制會變得異常容易。

圖1：左圖為鋰電池正極的掃描電鏡（SEM）圖像，右圖為鋰電池負(fù)極的掃描電鏡（SEM）圖像。掃描電鏡（SEM）是研究微米或納米級小顆粒的理想工具。

掃描電鏡（SEM）可以輕松將樣品放大幾萬倍，使得幾個納米的細(xì)微結(jié)構(gòu)都清晰可見，這無疑為研究人員改善提升電池的質(zhì)量提供了強有力的幫助。借助掃描電鏡可以輕松完成樣品層間距的測量以及電極有效接觸區(qū)域上細(xì)微結(jié)構(gòu)的觀測。

此外，通過在隔膜上施加熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，并在顯微級別實時觀察隔膜材料在這些外力下的行為，從而幫助研究人員更好的認(rèn)識隔膜材料破裂失效的機制，并提出改進(jìn)方案。

飛納臺式電鏡能譜一體機用于準(zhǔn)確識別樣品上微區(qū)化學(xué)成分，具有出色的微納米級別空間分辨率。分析過程只需要幾秒鐘！

圖2：如何使用 EDS 來檢測樣品成分的變化。點掃描、線掃描或面掃描可用于分析樣品不同位置的成分變化或波動。