圖1：鋰離子電池的組成示意圖

       鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。隨著對(duì)鋰離子電池的研究不斷深入，電池工業(yè)界正在迅速向更高能量密度和更低成本的電池技術(shù)努力，以達(dá)成零碳排放的目標(biāo)。

       但是目前在鋰電池使用或儲(chǔ)存過程中仍會(huì)出現(xiàn)一定概率的失效，一類是鋰離子電池的材料自身缺陷引起的失效，例如正負(fù)極的結(jié)構(gòu)衰退，電解液分解，隔膜的老化等；另一類是鋰離子電池使用及存儲(chǔ)環(huán)境引起的失效，例如環(huán)境溫度過高，充放電過快，過度充放等，都嚴(yán)重降低了鋰電池的使用性能、一致性、可靠性和安全性。

圖2：鋰離子電池失效模式

       雖然產(chǎn)品的誕生伴隨著失效，但只要充分了解失效原因，掌握分析失效的方法和利器，就能從根本上找到并解決失效問題。對(duì)于鋰電池來說，其失效歸根結(jié)底是材料的失效。例如，正極材料因局部Li+脫嵌速率不一致導(dǎo)致材料所受應(yīng)力不均而產(chǎn)生的顆粒破碎；硅負(fù)極材料因充放電過程中發(fā)生體積膨脹收縮而出現(xiàn)的破碎粉化；隔膜孔隙阻塞等。電池性能和電池材料性質(zhì)有著息息相關(guān)的關(guān)系，準(zhǔn)確把握材料的特性，是解決電池問題并提升電池性能的重要途徑之一。

軟件特點(diǎn)簡介

匯鴻智能科技是一家專注于工業(yè)領(lǐng)域微觀智能圖像分析應(yīng)用解決方案服務(wù)商。以“堅(jiān)持原創(chuàng)，用信息技術(shù)引領(lǐng)工業(yè)分析”為愿景，可以為用戶提供全場景的鋰電池智能化顯微分析解決方案。匯鴻智能科技研發(fā)的”LIBMAS—鋰離子電池材料顯微智能分析系統(tǒng)”（以下簡稱LIBMAS），將高分辨性能的掃描電鏡與智能化的分析軟件相結(jié)合，解決從鋰電原材料，到正負(fù)極極片、隔膜，鋰電清潔度全系列的鋰離子電池相關(guān)分析，助力研究人員開發(fā)出性能更*的鋰電產(chǎn)品。

       針對(duì)傳統(tǒng)軟件自動(dòng)化程度不足，操作復(fù)雜的弊端，匯鴻智能科技可為客戶量身定制專屬軟件，滿足客戶所有需求，采用先進(jìn)AI技術(shù)及圖像處理技術(shù)，可快速準(zhǔn)確進(jìn)行單晶團(tuán)聚識(shí)別、二次顆粒分布均勻性、開裂球識(shí)別、截面孔隙統(tǒng)計(jì)、隔膜材料孔隙分析等鋰電池材料分析。

應(yīng)用案例

01

01開裂球、截面孔隙識(shí)別

       通常在制備三元正極材料時(shí)，采用共沉淀法使亞微米一次粒子致密堆積成球形二次粒子，但這種堆積結(jié)構(gòu)容易形成裂紋，導(dǎo)致電池性能衰減。

圖1：軟件智能區(qū)分開裂球和普通球

       通過匯鴻LIBMAS，可快速統(tǒng)計(jì)并計(jì)算開裂球占比，獲得開裂球裂縫信息，從而改善工藝條件，如圖1。

       在鋰電池中，鋰離子在正極晶格中反復(fù)脫嵌，隨著電流密度和顆粒尺寸的增加，僅僅幾個(gè)循環(huán)就出現(xiàn)晶間裂紋。而產(chǎn)生的裂紋對(duì)電池性能、SOC、以及鋰離子傳輸路徑都會(huì)有一定影響。

圖2：二次球截面孔隙識(shí)別

       正極顆粒內(nèi)部通常為二次球顆粒形成的多晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致正極晶格在循環(huán)中容易發(fā)生各向異性體積變化，而產(chǎn)生孔隙。我們將二次球顆粒拋開，發(fā)現(xiàn)循環(huán)充放電后的顆粒截面出現(xiàn)大量裂痕，如圖2。使用LIBMAS對(duì)截面孔隙進(jìn)行識(shí)別，以輪廓中心點(diǎn)為圓心畫出同心圓，以各同心圓圓環(huán)內(nèi)的孔隙率計(jì)算同心圓孔隙率RSD，見圖3。

圖3：二次球截面孔隙率統(tǒng)計(jì)及RSD計(jì)算

02

02團(tuán)聚顆粒識(shí)別

       正極三元顆粒通常需要在高溫純氧下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)而成的三元產(chǎn)品一般具有典型的團(tuán)聚體形貌，即由粒徑約幾百納米的一次粒子組成的粒徑在幾個(gè)到十幾個(gè)微米之間的二次顆粒。

圖4：一次顆粒團(tuán)聚形成的二次球顆粒識(shí)別

       通常團(tuán)聚體顆粒內(nèi)部較為密實(shí)，一次粒子之間連接處存在晶界。通過匯鴻LIBMAS可高效識(shí)別一次顆粒大小（長、寬、周長、面積等）以及分布情況，如圖4、圖5。

圖5：軟件自動(dòng)區(qū)分團(tuán)聚顆粒及團(tuán)聚顆粒截面

       相對(duì)于單獨(dú)的納米粒子，這種形貌的團(tuán)聚體顆粒具有比表面積小，顆粒流動(dòng)性好，壓實(shí)密度高和電極漿料可加工性好等優(yōu)點(diǎn)。

       然而在團(tuán)聚體反復(fù)的充放電過程中，團(tuán)聚體內(nèi)部也反復(fù)經(jīng)受一次顆粒體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊，容易在一次顆粒之間的晶界處發(fā)生破碎。破碎后的顆粒不僅增大了活性物質(zhì)的比表面積，進(jìn)而加劇了活性物質(zhì)和電解液之間的副反應(yīng)。而且破碎后的一次粒子之間失去了有效的電接觸，也進(jìn)一步增加了電極材料的阻抗，不利于循環(huán)性能的保持。

03單晶顆粒識(shí)別

圖6：單晶顆粒的識(shí)別

       團(tuán)聚體的破碎受多種因素影響。減小體積變化程度可以減小應(yīng)力應(yīng)變對(duì)團(tuán)聚體的損傷；另外，從前驅(qū)體和燒結(jié)工藝入手以盡可能增強(qiáng)燒成的團(tuán)聚體顆粒內(nèi)部密實(shí)度，增強(qiáng)一次粒子之間的結(jié)合力，從而提高團(tuán)聚體顆粒抗破碎的能力。

       另外，相比易產(chǎn)生顆粒粉碎的多晶正極材料，許多研究已經(jīng)開始從晶體結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，探究單晶三元正極材料的性能，結(jié)果表明單晶三元具有更好的機(jī)械強(qiáng)度，從而抑制顆粒破碎，在高溫循環(huán)方面也具有更好的熱穩(wěn)定性。諸如此類的研究都需要準(zhǔn)確識(shí)別出單晶顆粒及其內(nèi)部分布情況，匯鴻LIBMAS可以自動(dòng)識(shí)別團(tuán)聚顆粒中輪廓清晰的單晶顆粒，并測量、統(tǒng)計(jì)其直徑，如圖6、7。   

圖7：單晶顆粒尺寸統(tǒng)計(jì)及分布圖

04大小二次球識(shí)別

       除此之外，匯鴻LIBMAS還可以精準(zhǔn)識(shí)別圖像上所有大二次球顆粒與小顆粒，根據(jù)面積判斷計(jì)算大顆粒與小顆粒分布的均勻性。如圖8、9。

圖9：大小二次球顆粒分布均勻性統(tǒng)計(jì)

05隔膜孔隙率統(tǒng)計(jì)

       鋰電池隔膜作為鋰電池的重要組成部分，是具有納米級(jí)微孔結(jié)構(gòu)的高分子功能材料，其主要功能是防止兩極接觸而發(fā)生短路，同時(shí)使電解質(zhì)離子通過。相關(guān)研究證實(shí)，隔膜的微孔孔徑分布越均勻，電池的電性能越優(yōu)異。

       孔徑的分布主要采用掃描電子顯微鏡( SEM) 進(jìn)行觀測，但僅靠肉眼觀測圖片，對(duì)孔隙率的表征存在一定誤差且效率低下。因此，若要更準(zhǔn)確形象地獲得材料的孔隙率，需要將圖像處理軟件與SEM 結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)隔膜孔隙分布及其定量分析的需求。

圖10：隔膜孔隙識(shí)別及孔隙率統(tǒng)計(jì)

       匯鴻LIBMAS可以快速獲取隔膜的孔隙率信息，檢測隔膜孔隙率、孔隙直徑及纖維直徑并統(tǒng)計(jì)分析，從而形象地描述隔膜表面的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，提高鋰電池隔膜孔隙率評(píng)定的準(zhǔn)確性，如圖10、11。

圖11：隔膜孔隙率統(tǒng)計(jì)結(jié)果及孔隙面積分布圖

       針對(duì)鋰電行業(yè)的特殊需求，匯鴻智能科技開發(fā)了一整套智能化鋰離子電池材料分析系統(tǒng)。匯鴻智能科技公司是一家前沿微觀AI圖像分析生態(tài)平臺(tái)開發(fā)公司，以“AI 即專家”為使命， 驅(qū)動(dòng)AI技術(shù)，加速實(shí)驗(yàn)室智能化升級(jí)，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室全場景智慧，為工業(yè)分析和質(zhì)量控制賦能。