最直觀的結構觀察：掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)

 

1. 掃描電鏡（SEM）

 

youyudianchicailiaodeguanchachiduzaiyaweimijijibainamidaojiweimidefanwei

，putongguangxuexianweijingwufamanzuguanchadexuqiu，ergenggaofangdabeishudedianzixianweijingzejingchangbeiyonglaiguanchadianchicailiao。

 

掃描電子顯微鏡（SEM）是1965nianfamingdejiaoxiandaidexibaoshengwuxueyanjiugongju，zhuyaoshiliyongercidianzixinhaochengxianglaiguanchayangpindebiaomianxingtai
，jiyongjixiazhaidedianzishuqusaomiaoyangpin
，tongguodianzishuyuyangpindexianghuzuoyongchanshenggezhongxiaoying
，qizhongzhuyaoshiyangpindeercidianzifashe。saomiaodianzixianweijingkeyiguanchadaolidiancailiaodelijingdaxiaohejunyunchengdu
，yijinamicailiaozishendeteshuxingmao
，shenzhitongguoguanchacailiaozaixunhuanguochengzhongfashengdexingbianwomenkeyipanduanqiduiyingdexunhuanbaochinenglihaohuai。rutu1b所示，二氧化鈦纖維具有的特殊網狀結構能提供良好的電化學性能。

 

 

圖1：（a）掃描電鏡(SEM)的結構原理圖；（b）SEM測試得到的圖片（TiO2的納米線）

 

1.1 SEM掃描電鏡原理：

 

如圖1a所示
，SEM是利用電子束轟擊樣品表麵，引起二次電子等信號的發射，主要利用SE並放大
、傳遞SE所攜帶的信息，按時間序列逐點成像，顯像管上成像。

 

1.2 掃描電鏡的特點：

 

⑴ 圖象立體感強

、可觀察一定厚度的樣

 

⑵ 樣品製備簡單
，可觀察較大的樣

 

⑶ 分辨率較高，30~40Å  

 

⑷ 倍率連續可變，從4倍~~15萬

 

⑸ 可配附件，進行微區的定量、定性分析

 

1.3 觀察對象：

 

粉末、顆粒
、塊狀材料都可以測試
，測試前除保持幹燥外
，不需要特殊處理。主要用於觀察樣品的表麵形貌

、割裂麵結構
、管腔內表麵的結構等。可直觀反應材料的粒徑尺寸特殊結構及分布情況。

 

2. TEM透射電子顯微鏡

 

圖2：（a）TEM 透射電鏡的結構原理圖；（b）TEM測試照片（Co3O4納米片）

 

2.1 原理： 主要利用入射電子束穿過樣品，產生攜帶樣品橫截麵內部的電子信號，並經多級磁透鏡的放大後成像於熒光板，整幅像同時成立。

 

2.2 特點：

 

⑴ 樣品超薄，h<1000 Å

 

⑵ 二維平麵像
，立體感差

 

⑶ 分辨率高，優於2 Å

 

⑷ 樣品製備複雜

 

2.3 觀察對象：

 

在溶液中分散的納米級材料，使用前需要滴在銅網上，提前製備並保持幹燥。主要觀察樣品內部超微結構，HRTEM高分辨透射電鏡可以觀察到材料對應的晶格和晶麵。如圖2b所示

，觀察二維平麵結構具有更好的效果
，相對於SEM的立體感差，但可以具有更高的分辨率，觀察到更細微的部分，
，特殊的HRTEM甚至可以觀察到材料的晶麵和晶格等信息。

 

3. 材料晶體結構測試：（XRD）X射線衍射儀技術

 

X射線衍射儀技術(X-ray diffraction，XRD)。通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜
，獲得材料的成分、材料內部原子或分子的結構或形態等信息的研究手段。X射線衍射分析法是研究物質的物相和晶體結構的主要方法。當某物質(晶體或非晶體)進行衍射分析時,該物質被X射線照射產生不同程度的衍射現象,物質組成
、晶型、分子內成鍵方式、分子的構型、構象等決定該物質產生特有的衍射圖譜。X射線衍射方法具有不損傷樣品
、無汙染、快捷
、測量精度高、能得到有關晶體完整性的大量信息等優點。因此,X射線衍射分析法作為材料結構和成分分析的一種現代科學方法,已逐步在各學科研究和生產中廣泛應用。

 

圖3：（a）鋰電材料的XRD光譜
；（b）X射線衍射儀的原理結構圖

 

3.1 XRD原理：X射she線xian衍yan射she作zuo為wei一yi電dian磁ci波bo投tou射she到dao晶jing體ti中zhong時shi，會hui受shou到dao晶jing體ti中zhong原yuan子zi的de散san射she，而er散san射she波bo就jiu像xiang從cong原yuan子zi中zhong心xin發fa出chu，每mei個ge原yuan子zi中zhong心xin發fa出chu的de散san射she波bo類lei似si於yu源yuan球qiu麵mian波bo。由you於yu原yuan子zi在zai晶jing體ti中zhong是shi周zhou期qi排pai列lie的de，這zhe些xie散san射she球qiu波bo之zhi間jian存cun在zai固gu定ding的de相xiang位wei關guan係xi，會hui導dao致zhi在zai某mou些xie散san射she方fang向xiang的de球qiu麵mian波bo相xiang互hu加jia強qiang
，而er在zai某mou些xie方fang向xiang上shang相xiang互hu抵di消xiao，從cong而er出chu現xian衍yan射she現xian象xiang。每mei種zhong晶jing體ti內nei部bu的de原yuan子zi排pai列lie方fang式shi是shi唯wei一yi的de，因yin此ci對dui應ying的de衍yan射she花hua樣yang是shi唯wei一yi的de，類lei似si於yu人ren的de指zhi紋wen，因yin此ci可ke以yi進jin行xing物wu相xiang分fen析xi。其qi中zhong
，衍yan射she花hua樣yang中zhong衍yan射she線xian的de分fen布bu規gui律lv是shi由you晶jing胞bao的de大da小xiao、形狀和位向決定。衍射線的強度是由原子的種類和它們在晶胞中的位置決定。通過布拉格方程：2dsinθ=nλ，我們可以獲得不同材料通過使用固定靶材激發的X射線在特殊θ角位置產生特征信號
，即PDF卡片上標注的特征峰。

 

3.2 XRD測試特點：

 

XRD衍射儀的適用性很廣，通常用於測量粉末
、單晶或多晶體等塊體材料，並擁有檢測快速、操作簡單
、數據處理方便等優點
， 是一個標標準準的“良心產品”。不僅僅可用於檢測鋰電材料，大部分晶體材料都可以采用XRD測試其特定的晶型。圖3a為鋰電材料Co3O4所對應的XRD光譜，圖上根據對應的PDF卡片標注了該材料的晶麵信息。該圖黑色對應塊體材料結晶峰窄且高度明顯，說明其結晶性很好。

 

3.3 測試對象及樣品準備要求：

 

粉末樣品或表麵平整的塊狀樣品。粉末樣品要求磨勻，樣品表麵要鋪平
，減小測量樣品的應力影響。

 

4. 電化學性能（CV）循環伏安法和循環充放電

 

鋰電池材料屬於電化學範圍，因而對應的一係列電化學測試必不可少。

 

CV測試: 一(yi)種(zhong)常(chang)用(yong)的(de)電(dian)化(hua)學(xue)研(yan)究(jiu)方(fang)法(fa)。該(gai)法(fa)控(kong)製(zhi)電(dian)極(ji)電(dian)勢(shi)以(yi)不(bu)同(tong)的(de)速(su)率(lv)，隨(sui)時(shi)間(jian)以(yi)三(san)角(jiao)波(bo)形(xing)一(yi)次(ci)或(huo)多(duo)次(ci)反(fan)複(fu)掃(sao)描(miao)
，電(dian)勢(shi)範(fan)圍(wei)是(shi)使(shi)電(dian)極(ji)上(shang)能(neng)交(jiao)替(ti)發(fa)生(sheng)不(bu)同(tong)的(de)還(hai)原(yuan)和(he)氧(yang)化(hua)反(fan)應(ying)
，並(bing)記(ji)錄(lu)電(dian)流(liu)-電勢曲線。根據曲線形狀可以判斷電極反應的可逆程度，中間體、xiangjiexifuhuoxinxiangxingchengdekenengxing，yijioulianhuaxuefanyingdexingzhideng。changyonglaiceliangdianjifanyingcanshu，panduanqikongzhibuzhouhefanyingjili
，bingguanchazhenggedianshisaomiaofanweineikefashengnaxiefanying，jiqixingzhiruhe。duiyuyigexindedianhuaxuetixi
，shouxuandeyanjiufangfawangwangjiushixunhuanfuanfa，kechengzhiwei“電化學的譜圖”。本法除了使用汞電極外，還可以用鉑
、金、玻璃碳、碳纖維微電極以及化學修飾電極等。

 

循環伏安法是一種很有用的電化學研究方法，可用於電極反應的性質、jilihedianjiguochengdonglixuecanshudeyanjiu。duiyuyigexindedianhuaxuetixi，shouxuandeyanjiufangfawangwangshixunhuanfuanfa。youyushouyingxiangyinsujiaoduo，gaifayibanyongyudingxingfenxi

，henshaoyongyudingliangfenxi。

 

圖4：（a）可逆電極的CV循環圖

；（b）電池的恒電流循環充放電測試

 

恒電流循環充放電測試：鋰li電dian材cai料liao組zu裝zhuang成cheng相xiang應ying的de電dian池chi之zhi後hou，需xu要yao進jin行xing充chong放fang電dian進jin行xing循xun環huan性xing能neng的de測ce試shi。充chong放fang電dian過guo程cheng經jing常chang采cai用yong恒heng電dian流liu充chong放fang電dian的de方fang式shi
，以yi固gu定ding電dian流liu密mi度du進jin行xing放fang電dian和he充chong電dian
，限xian製zhi電dian壓ya或huo比bi容rong量liang的de條tiao件jian，進jin行xing循xun環huan測ce試shi。實shi驗yan室shi常chang用yong的de有you武wu漢han藍lan電dian和he深shen圳zhen新xin威wei兩liang種zhong測ce試shi儀yi，設she置zhi簡jian單dan的de程cheng序xu後hou
，即ji可ke測ce試shi電dian池chi的de循xun環huan性xing能neng。圖tu4b為一組鋰電材料組裝電池後的循環圖
，我們可以看到黑色bulk材料對應可以循環60圈
，紅色NS材料可循環超過150圈。

 

小結：鋰電池材料的測試技術有很多，最為常見的有上述的SEM
，TEM，XRD
，CV和循環測試等。另外還有拉曼光譜（Raman），紅外光譜（FTIR），X射線光電子能譜（XPS），以及電鏡附件部分的能譜分析（EDS）
，電子能量損失譜（EELS），判斷材料粒度及孔隙率的BET比表麵積測試法。甚至有些時候還能用到中子衍射和吸收譜（XAFS）等表征手段。

 

近30年nian時shi間jian內nei，鋰li電dian池chi行xing業ye迅xun速su發fa展zhan並bing要yao逐zhu步bu替ti代dai煤mei炭tan和he石shi油you等deng傳chuan統tong燃ran料liao應ying用yong於yu汽qi車che等deng動dong力li設she備bei
，而er隨sui之zhi發fa展zhan的de表biao征zheng檢jian測ce手shou段duan也ye不bu斷duan的de完wan善shan和he促cu進jin著zhe鋰li電dian池chi領ling域yu的de進jin步bu。

 

 

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