動力鋰離子電池系列二：負極材料解決方案
背景簡介SHIMADZU
上一篇文章里面，我們介紹了當前商品化的動力鋰離子電池當中正極材料及其檢測的綜合解決方案，本篇我們將介紹負極材料及其檢測方面的相關知識。
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(huán)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。
負極材料的完整解決方案
國家/行業(yè)標準涉及負極材料的并不多，目前有以下四項：
實際的研發(fā)、生產(chǎn)及質控過程中則會涉及較多的檢測指標。島津具備多種表征及測試設備，可幫助負極材料企業(yè)及電池企業(yè)應對各種測試需求。
特色應用SHIMADZU
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(xiàn)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(wěn)定性、高安全性、簡便快捷的操作軟件等優(yōu)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。
XRD-6100
XRD測試參數(shù)
石墨化度的測試譜圖
譜圖經(jīng)過Basic Process程序處理，得到衍射角的測試值，經(jīng)布拉格公式可以計算出面間距，代入富蘭克林公式即可得到石墨化度。
石墨化度計算結果
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(fā)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(tài)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。
AXIS SUPRA+
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(chǎn)生；但銅箔表面并未全部有Cr6+的覆蓋，因此仍然有部分產(chǎn)生了氧化層。
