上医治未病 治之于未燃 | 电子探针精准锁定锂电池起火潜藏诱因
导读
得益于节能、环保及良好的驾乘体验等方面的一系列优势，新能源汽车销量节节攀升、屡创新高，随之而来的电池安全问题也日益凸显，自燃、起火等报道时常冲上热搜头条。电池起火、爆炸的常见诱因之一是电池极片生产过程中可能混入的金属异物颗粒，这些颗粒存在刺穿隔膜导致电池短路的隐患。在极片上排查是否存在微小的金属异物，不啻于大海捞针。然而，利用岛津电子探针超大范围扫描模式，广域、逐帧搜索，可快速、精准锁定极片中金属异物，扼杀安全隐患于摇篮，治之于未“燃”。
极片中金属异物小科普
锂电池极片制作流程繁杂，在电极浆料制备过程、极片辊涂、切割、卷绕工序中均有可能混入金属异物或产生切割毛刺或金属碎屑等等。极片中混入尺寸较大的金属异物颗粒，可能会直接刺穿隔膜，导致正负极之间短路。或者当金属异物混入正极后，充电之后正极电位升高，高电位下金属异物发生溶解，通过电解液扩散，然后负极低电位下溶解的金属再在负极表面析出并堆积，最终刺穿隔膜，形成短路。
正极极片中金属异物颗粒刺穿隔膜后导致短路放电示意图
案例分享
电池极片中常见混入的金属异物有Fe、Cu、Zn、Al、Sn、不锈钢等，以含Fe异物为例，为排查某正极极片中是否混入含Fe金属异物，首先在视场1.0×0.8mm下进行Fe元素的低倍大区域面扫描（岛津电子探针最大扫描范围可高达90×90mm），结果见图1。图1-2中黄色方框标示处，明显可见有Fe元素的富集；为进一步清晰显示异常富集情形，对图1黄色方框逐级放大至4000倍。如图2所示。
为了更为直观的显示Fe元素富集位置，将Fe元素面分布图与背散射电子像进行叠加显示，如图3所示。图3中红色标记区域即为Fe元素富集位置。
图3 背散射电子像下Fe元素富集位置
分别选择典型的Fe元素富集位置（图3中黄色数字1标示处）及常规位置（如图3中黄色数字2标示处）进行微区成分定性分析，定性谱图见图4、图5。
图4 Fe元素富集位置（位置1）定性分析结果
图5 常规位置（位置2）定性分析结果
由定性结果可知，与常规区域（位置2）相比，Fe元素富集位置处（位置1）除Fe元素富集外，还检出了微量的P、Ti元素（详见局部放大谱图6）。
图6 定性谱图局部放大显示（位置1、位置2）
据此，电池生产企业可排查具体是哪个工艺环节可能会引入诸如Fe、P、Ti等元素的污染，进而优化制备工艺，杜绝产品安全隐患。
结语
岛津电子探针集成有兼具高分辨率和高灵敏度的电子成像系统及波谱成分分析系统，可实现显微形貌观察及微区成分分析的有机结合，真正做到了“成分分析的可视化”，最大可实现90mm×90mm超大区域的直接扫描成像及元素面分析，通过撒大网、细聚焦的方式，逐步精准锁定极片中金属异物，进而助力锂电池生产企业对极片中的金属异物进行筛查、剖析，从而在生产源头上做到精益把控，真正做到有的放矢、治病于未发。