負極材料是鋰離子電池儲存鋰的主體,鋰離子在充/放電過程中嵌入/脫出于負極材料,因此負極在電池放電時流出電子。鋰電池的首次效率、循環性能等受負極材料影響較大,其性能也受負極材料的直接影響。從成本上看,負極材料占鋰電池總成本5~15%左右。
當前有多種碳系和非碳系類型材料可作為鋰離子電池的負極材料。但綜合考慮性能/成本等因素,目前商品化的負極材料,主要活性成分仍然是天然石墨或人工石墨,其他成分為用于改善性能用的添加劑(例如碳納米管)以及粘結劑等。將幾種材料充分勻漿后,涂布在集流體——銅箔上,再干燥、輥壓、切片形成鋰電池的負極。因此分析檢測也是從這些組成成分的角度來進行。
特色應用
1、 晶體結構和石墨化度(G)的檢測
石墨有兩種晶相——六方相和菱方相。一般情況下兩種結構共存,只是比例不同。它們的比例關系,可以通過X射線衍射儀來進行測定。
石墨化度(G)是衡量碳素物質從無定形碳通過結構重排,其晶體接近完美石墨的程度。G值越大則越容易石墨化,同時晶體結構的有序程度也越高,相應的晶格缺陷就越少,電子的遷移阻力就越小。最終表現為如果G值越高,電池的性能越好,另外也可以通過G值來估算鋰離子電池的克容量。
石墨化度的測試需要精確測定C(002)峰位,它的測定對峰位準確度要求很高,通常采用摻入硅粉內標的辦法消除制樣誤差和裝樣誤差,利用Si(111)實測峰位和標準峰位的角度差來校正C(002)角度。島津的X射線衍射儀具有高穩定性、高安全性、簡便快捷的操作軟件等優點,對負極材料的晶體結構和石墨化度檢測具有較好的效果。
2、 XPS表征鋰電池負極表面元素分布
負極集流體(銅箔)在高溫處理階段如不加以處理,表層銅會被氧化從而影響電池性能,因此會采用表面鈍化處理來抑制該問題的發生。鈍化的手段一般是在表面鍍上含六價鉻(Cr6+)的膜層。對于六價鉻的價態分析,目前僅有X射線光電子能譜儀(XPS)能較好地應對測試需求。
島津的AXIS SUPRA+型XPS具有高靈敏、高分辨(空間、能量)和智能化的特點,可較好地應對這方面的測試需求。下例是使用AXIS SUPRA+型XPS來表征負極集流體的表面氧化程度。
測試結果表明:探測到Cr6+,因此確實有鈍化的產生;但銅箔表面并未全部有Cr6+的覆蓋,因此仍然有部分產生了氧化層。