【摘要】 集流体是指汇集电流的结构或零部件。电池集流体泛指也包括极耳,极耳是从电芯中将正、负极引出的金属导体。

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氩离子CP截面抛光技术是一种先进的材料表面处理技术，特别适用于各种材料样品（除了液态）的制备，包括钠电池材料。这种技术利用氩离子束对样品表面或截面进行轰击，以达到平整精密的抛光效果。其优点在于不会对样品造成机械损害，同时能够去除损伤层，从而得到高质量的样品。

在钠电池材料的检测中，氩离子CP截面抛光技术发挥着重要作用。通过对钠电池材料进行抛光处理，可以暴露出集流体的截面，为后续的SEM观察提供清晰的样品。SEM，即扫描电子显微镜，是一种能够直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像的仪器。在氩离子抛光后，SEM可以观察到集流体的微观形貌，进而分析其结构和性能。

在进行集流体截面微观形貌观察时，需要注意一些关键因素。首先，抛光过程的参数设置至关重要，包括离子束的能量、轰击时间等，这些参数将直接影响抛光效果。其次，SEM的操作也需要精细控制，如选择合适的放大倍数、调整电子束的扫描速度等，以确保获得清晰、准确的微观形貌图像。

 

复合集流体结构示意图-图片源自网络

 

测试概念

集流体是指汇集电流的结构或零部件。电池集流体泛指也包括极耳,极耳是从电芯中将正、负极引出的金属导体。电池集流体的功用是承载正负极材料,并在充放电过程,将活性生物质产生的电流汇集输出,或将电流输入给活性物质。化学能与电能转换过程的通路,要求导电性能好、化学与电化学性能稳定、机械强度高、能够与活性物质紧密结合不易分离。钠离子电池选择的是成本更为低廉的铝箔。,锂电池以石墨为负极,由于铝制集流体在低电位下易与锂发生合金化反应而被消耗,因此锂电池负极集流体为铜箔,而钠离子电池在更换负极材料后则没有这个担忧,因此可以选择铝箔为正负极集流体。

 

复合铜箔与传统电解铜箔对比-图片源自网络

 

测试原理

氩离子抛光技术,又称CP截面抛光技术,是利用宽离子束(~1mm)对材料样品表面或者截面进行轰击,以获得平整精密的抛光截面和平面样品,一个坚固的挡板遮挡住样品的非目标区域,有效的遮蔽了下半部分的离子束,创造出一个侧切割平面,去除样品表面的一层薄膜。同时配合扫描电镜((SEM)完成对样品内部结构微观特征的观察和分析。

为了得到理想的制备材料研究样品,需要对氩离子抛光义设置精准的参数:针对不同的样品的硬度,设置不同的电压、电流、离子枪的角度、离子束窗口,控制氩离子作用的深度、强度、角度、得到这样的抛光样品不仅表面光滑无损伤,而且还原材料内部的真实结构通过CP制样,用SEM对具有三明治结构的集流体进行截面厚度、截面形貌的观察,可以对集流体改性、厚度等方面做出调控,实现电池的减重以及提升能量密度方面做出指导。

 

截面SEM图像-图片源自网络

 

测试资料

复合铜箔:PP及PET复合铜箔为"三明治"结构,以该等高分子材质薄膜作为基体,两面沉积金属铜层制成了一种新型复合箔。基材为PET、PP膜(厚度约3~5μm)。首先采用磁控溅射的方式,沉积厚度20~80nm的铜层,作为种子层,实现有机薄膜表面金属化,然后通过水电镀增厚的方式,将铜层加厚到0.75~1.5μm,制作总厚度在4.5~8μm的复合铜箔,用作锂离子电池的负极集流体。

复合铝箔:PP、PET复合铝箔与复合铜箔相似,为"三明治"结构。以PP、PET为基体,采用真空蒸镀工艺沉积金属铝层制成。复合铝箔的铝层厚度约1μm,热失控时,金属层瞬间熔断,从而抑制电池起火。而压延铝箔在热失控时,依然保持了良好的导电性,加剧热失控。复合铝箔在安全性上具有显著优势。复合铝箔厚度一般在6.5~8μm,而目前电池用压延铝箔厚度在8μm以上。以厚度6.5μmn复合铝箔为例,其密度是8~10μm压延铝箔的54%~43%,体积占比下降18.7~35%,具有提升能量密度的相对优势。

 

参考文献

  • Li, Y., Liu, J., Ding, Y., Cheng, H., & Zhou, X. (2019). Investigation of Sodium Metal Anode for Solid‐State Sodium‐Ion Batteries. Small Methods, 3(3), 1800484. doi: 10.1002/smtd.201800484

  • Zhang, B., Li, W., Han, F., Li, N., & Wang, Z. (2021). Interfacial lithium microstructure evolution in all-solid-state batteries revealed by focused ion beam and scanning electron microscopy. Journal of Materials Science, 56(22), 11878-11889. doi: 10.1007/s10853-021-06058-y

  • Deng, H., Wang, Z., Liu, K., Liu, Y., Liang, Z., & Wang, J. (2017). Investigation of sodium deposition and dissolution in sodium-ion batteries by in situ scanning electron microscopy. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(15), 13515-13520. doi: 10.1021/acsami.7b00597

 

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