【摘要】 在充放电循环过程中,层状三元正极材料会失氧原子和锂原子,晶体结构的C轴变小,从层状结构转变为类尖晶石结构,再转变为稳定的立方结构(又称岩盐相)。

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在钠电池正极材料裂纹物相分析中，SEM搭载EBSD技术具有显著优势。而EBSD技术则是对SEM的补充和延伸，它能够在SEM观察的同时，获取材料表面每个点的晶体结构信息。通过收集背散射电子的衍射花样，EBSD可以快速地绘制出样品的晶体取向图、相分布图以及晶界图等，从而揭示材料的晶体结构和相变过程。一方面，SEM能够直观地观察到裂纹的形态和分布，为后续分析提供重要依据；另一方面，EBSD能够深入剖析裂纹周围的晶体结构和相组成，揭示裂纹产生的原因和机制。

 

测试概念

在充放电循环过程中,层状三元正极材料会失氧原子和锂原子,晶体结构的C轴变小,从层状结构转变为类尖晶石结构,再转变为稳定的立方结构(又称岩盐相)。原子层面晶体结构的的应力变化会诱发生成微细裂纹,同时会导致容量衰减、循环性能和热稳定性降低。

 

测试原理

在扫描电子显微镜(SEM)上搭载EBSD探测器,电子束照射在倾斜的样品上，背散射电子发生衍射,出射形成的衍射电子投影到EBSD探测器的磷屏上，形成衍射花样,如下图所示。采集软件解析衍射花样,标定相和取向。设定采集区域，采集软件逐个像素点地采集选定区域的衍射花样,获取采集区域的相和取向数据。之后，后处理软件就可以按照这些数据表达晶粒、界面、取向、织构等各种显微结构的特征。

 

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测试资料

三元正极材料颗粒的成分、形貌特征在很大程度上决定着它的电化学性能。一般希望煅烧后的颗粒呈球形,比表面积大。产品的理化性能指标主要关注颗粒的粒度、密度和成分,或者内部的孔隙率上,但对颗粒内部的晶粒构成关注较少。其实颗粒中晶粒的尺寸、均匀性、取向等特征都对产品的电化学性能有一定的影响。

 

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充放电循环引起的相变是正极材料研究的另一个重点,很多研究致力于提高正极材料晶体结构的稳定性,希望正极材料在长期循环后依然保持较高的容量。这是因为在充放电循环过程中,层状三元正极材料会失氧原子和锂原子,晶体结构的C轴变小,从层状结构转变为类尖晶石结构,再转变为稳定的立方结构(又称岩盐相)。原子层面晶体结构的应力变化会诱发生成微细裂纹,同时会导致容量衰减、循环性能和热稳定性降低。仅凭电子图像无法确定小晶粒间的取向差,遑论平均晶粒尺寸,需要采用EBSD探测器对颗粒内部显微组织做效更详细的分析。EBSD是分析三元正极材料颗粒内部晶粒尺寸的有力工具,比仅凭电子图像分析更加直观可靠。

 

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参考文献

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  • Felder, J. B., Surzhenkov, A., Selzer, M., & Latz, A. (2020). Orientation and microstructure changes in Na-ion battery electrodes during cycling: A digital image correlation and scanning electron microscopy with electron backscatter diffraction study. Journal of Power Sources, 479, 228636.

  • Yang, Y., Zheng, X., Su, J., Gao, L., Ma, D., & Guo, Y. (2020). Investigating structural evolution in Na3V2(PO4)3/C cathode for sodium-ion batteries with electron microscopy. Journal of Power Sources, 450, 227652.