Aplicação do microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo na inspeção de diafragma de íons de lítio

I. Bateria de íon de lítio

A bateria de íons de lítio é uma bateria secundária, que depende principalmente de íons de lítio que se movem entre os eletrodos positivos e negativos para funcionar. Durante o processo de carga e descarga, os íons de lítio são incorporados e desencaixados entre os dois eletrodos através do diafragma, e o armazenamento e liberação de energia de íons de lítio são alcançados através da reação redox do material do eletrodo.

A bateria de íon de lítio consiste principalmente em material de eletrodo positivo, diafragma, material de eletrodo negativo, eletrólito e outros materiais. Dentre eles, o diafragma da bateria de íons de lítio desempenha um papel na prevenção do contato direto entre os eletrodos positivo e negativo e permite a passagem livre dos íons de lítio no eletrólito, proporcionando um canal microporoso para o transporte de íons de lítio.

O tamanho dos poros, o grau de porosidade, a uniformidade de distribuição e a espessura do diafragma da bateria de íons de lítio afetam diretamente a taxa de difusão e a segurança do eletrólito, o que tem um grande impacto no desempenho da bateria. Se o tamanho dos poros do diafragma for muito pequeno, a permeabilidade dos íons de lítio será limitada, afetando o desempenho de transferência dos íons de lítio na bateria e fazendo com que a resistência da bateria aumente. Se a abertura for muito grande, o crescimento de dendritos de lítio poderá perfurar o diafragma, causando acidentes como curtos-circuitos ou explosões.

Ⅱ. A aplicação da microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo na detecção de diafragma de lítio

O uso da microscopia eletrônica de varredura pode observar o tamanho dos poros e a uniformidade de distribuição do diafragma, mas também na seção transversal do diafragma multicamadas e revestido para medir a espessura do diafragma. Os materiais de diafragma comerciais convencionais são principalmente filmes microporosos preparados a partir de materiais de poliolefina, incluindo filmes de polietileno (PE), polipropileno (PP) de camada única e filmes compostos de três camadas de PP/PE/PP. Os materiais poliméricos de poliolefina são isolantes e não condutores e são muito sensíveis aos feixes de elétrons, o que pode levar a efeitos de carga quando observados sob alta tensão, e a estrutura fina dos diafragmas poliméricos pode ser danificada por feixes de elétrons. O microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo SEM5000, desenvolvido independentemente pela GSI, tem capacidade de baixa tensão e alta resolução e pode observar diretamente a estrutura fina da superfície do diafragma em baixa tensão sem danificar o diafragma.

O processo de preparação do diafragma é dividido principalmente em dois tipos de métodos seco e úmido. O método seco é o método de alongamento por fusão, incluindo o processo de alongamento unidirecional e o processo de alongamento bidirecional, o processo é simples, tem baixos custos de fabricação e é um método comum de produção de diafragma de bateria de íon de lítio. O diafragma preparado pelo método seco possui microporos planos e longos (Figura 1), mas o diafragma preparado é mais espesso, a uniformidade microporosa é ruim, o tamanho dos poros e a porosidade são difíceis de controlar, a densidade de energia da bateria montada é baixa, usada principalmente em baterias de íon de lítio de baixo custo.

Figura 1 Diafragma elástico seco/0,5KV/Inlens

O processo úmido, ou seja, separação de fases termogênicas, envolve a mistura e fusão de polímeros com solventes de alto ponto de ebulição, etc., e a produção de membranas microporosas através do processo de separação de fases de resfriamento, alongamento, extração e secagem, e tratamento térmico e moldar. Comparado com o processo seco, o processo úmido é estável e controlável, resultando em espessura fina do diafragma, alta resistência mecânica, distribuição uniforme do tamanho dos poros e interpenetração (Figura 2). Embora o custo do diafragma feito pelo processo úmido seja superior ao do processo seco, a bateria montada tem alta densidade de energia e bom desempenho de carga e descarga, e é usada principalmente em baterias de íon de lítio de médio a alto padrão. Combinado com o sistema de análise de tamanho de poro desenvolvido independentemente pela GSI, o tamanho dos poros e a porosidade do diafragma podem ser analisados ​​de forma rápida e automática (Figura 3).

Figura 2 Diafragma elástico úmido/1KV/Inlens

Figura 3 Análise do tamanho dos poros do diafragma/1KV/Inlens

Embora os diafragmas à base de poliolefina sejam amplamente utilizados em baterias de íons de lítio, eles são limitados pelas propriedades mecânicas, resistência ao calor e inércia superficial do próprio material, e os diafragmas de poliolefina simples não podem atender aos requisitos de alta segurança e alto desempenho do lítio- baterias de íons. Por esta razão, a modificação superficial dos diafragmas de poliolefina é necessária para melhorar suas propriedades mecânicas, resistência ao calor e afinidade com eletrólitos. Um dos métodos mais utilizados é o revestimento físico da superfície do diafragma. Os materiais cerâmicos inorgânicos (Figura 4) são caracterizados por boa resistência ao calor, alta estabilidade química e grupos funcionais polares na superfície para melhorar a molhabilidade do diafragma de poliolefina ao eletrólito, por isso são frequentemente usados ​​como partículas revestidas para aumentar a resistência ao calor. e propriedades eletroquímicas do diafragma. A Figura 5 mostra a morfologia da superfície cerâmica do diafragma após revestimento com partículas cerâmicas inorgânicas.

Figura 4 Pó cerâmico de alumina/5KV/BSED

Figura 5 Diafragma revestido de cerâmica/1KV/Inlens

1. III. Microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo SEM5000

SEM5000 é um microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo rico em recursos e de alta resolução com design de barril avançado, tecnologia de tunelamento de alta tensão e design de lente objetiva magnética sem vazamento de baixa aberração, para obter imagens de alta resolução de baixa tensão. Seu software operacional é equipado com navegação óptica para otimizar o processo de operação e utilização. Os usuários, experientes ou não, podem começar rapidamente e concluir tarefas de filmagem de alta resolução.