不少電池企業(yè)都為新品起了性感的名字，如“4680”、“頂流”、”M3P”、“短刀”、“凝聚態(tài)”，意在打造讓從主機(jī)廠到C端用戶均耳熟能詳?shù)挠洃淈c(diǎn)。

而追根溯源，創(chuàng)造具有差異化的電池，不僅需要基礎(chǔ)研發(fā)人員對(duì)材料的極致探索和大膽想象，還需要能夠精準(zhǔn)剖析微觀機(jī)制的工具。

一、優(yōu)秀的電池，離不開更高效的工具

電池企業(yè)都想在“性能”、“安全性”、“成本”等關(guān)鍵因素上表現(xiàn)優(yōu)異，這就需要超過同行的質(zhì)量控制手段。首先就要在研發(fā)環(huán)節(jié)，充分了解和控制電池相關(guān)材料的特性，選擇良好的材料。

材料從根本上決定著電池性能。通過改進(jìn)材料提高電池性能、優(yōu)化電池老化機(jī)制、應(yīng)用新型材料、改變電芯結(jié)構(gòu)是電芯研發(fā)的主要方向。而且，往往多策并舉，促成電池的升級(jí)和創(chuàng)新。

材料體系方面，采用高鎳正極、硅基負(fù)極、鋰金屬負(fù)極等新型材料體系，提高單體能量密度；或者研制出磷酸錳鐵鋰，探索鈉離子電池的商業(yè)化應(yīng)用，降低成本；或者加快固態(tài)電池的研發(fā)進(jìn)程，使電池性能更高，更耐久。

電芯形狀方面，方形電池，尤其是LFP短刀兼顧性能、集成與制造，成為主流企業(yè)的優(yōu)選方案之一；大圓柱電池也是熱門方向，特斯拉和寶馬均已提出具體的實(shí)施規(guī)劃。

快充技術(shù)方面，多家主機(jī)廠聯(lián)合電池企業(yè)推出2C~4C快充方案。這就需要電池企業(yè)從電池材料（尤其是負(fù)極材料的選擇和微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)）、電極設(shè)計(jì)等出發(fā)，降低內(nèi)阻、加強(qiáng)散熱，提高電池的倍率性能。

▲ 動(dòng)力電池的技術(shù)趨勢 來源：《纖毫畢現(xiàn)，追根溯源–探索電池高效生產(chǎn) 打造高品質(zhì)電池的奧秘》白皮書

正所謂“工欲善其事，必先利其器”，更優(yōu)秀的動(dòng)力電池產(chǎn)品離不開更高效有力的檢測工具。

材料的微觀結(jié)構(gòu)表征是電芯研發(fā)的關(guān)鍵，目前多種材料表征方法被推出并得到廣泛應(yīng)用。

在研發(fā)環(huán)節(jié)，工程師利用光學(xué)顯微鏡、X 射線顯微鏡、3D 檢測來觀察電極材料，檢測電極缺陷并分析電池失效原理。還可觀察材料的粒徑尺寸、各種成分的配比及分布情況等，加深研發(fā)人員的認(rèn)識(shí)和理解。這些都可以在提高研發(fā)效率的同時(shí)更好的改善電池性能，進(jìn)而為材料、工藝的改進(jìn)提供依據(jù)。

二、電池材料的二維顯微成像和表征

光學(xué)顯微鏡，起源于17世紀(jì)，借助可見光的波長放大物體，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)分辨率，廣泛用于生命科學(xué)、材料科學(xué)等。在電池領(lǐng)域，它能觀察電極結(jié)構(gòu)、檢測電極缺陷和鋰枝晶的生長，為電池研發(fā)提供寶貴數(shù)據(jù)。但受限于可見光的波長，其觀測范圍有限，而電子顯微鏡則很好的解決了這個(gè)問題。

電子顯微鏡于1931年問世，使用電子束放大物體，最大可放大高達(dá)300萬倍，達(dá)到納米級(jí)分辨率。由于電子顯微鏡具備更高的分辨率，在電池研發(fā)中，搭配不同的探頭，可以得到多維度的信息（成分、表征信息，粒度尺寸，配料占比等），實(shí)現(xiàn)對(duì)正負(fù)極材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑及隔膜等更微觀結(jié)構(gòu)的檢測（觀察材料的形貌、分布狀態(tài)、粒徑大小、存在的缺陷等）。

▲ 電池正負(fù)極材料、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、隔膜SEM圖 來源：蔡司（使用蔡司電子顯微鏡測試）

由于具備高分辨率，掃描電子顯微鏡(SEM) 能清楚地反映和記錄材料的表面形貌特征，因此成為表征材料形貌最為便捷的手段之一。

三、電池檢測：從2D到3D

盡管2D平面檢測簡單且有效，但有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)偏差。3D成像為研發(fā)人員提供了更為直觀的檢測結(jié)果，提高了電池的研發(fā)效率和性能。

其中，X射線顯微鏡技術(shù)如蔡司的Xradia Versa系列，可以實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部的高分辨率3D無損成像，分辨電極顆粒與孔隙、隔膜與空氣等，可以大大簡化流程，節(jié)省時(shí)間。

▲ 電池內(nèi)部高分辨率成像（掃描完整樣品 - 選擇感興趣區(qū)域 - 放大并進(jìn)行高分辨率成像）來源：蔡司（使用蔡司 Xradia Versa 系列 X 射線顯微鏡測試）

在此基礎(chǔ)上，蔡司推出的4D微觀結(jié)構(gòu)演化表征方法，可以獲得更多信息，提供更微小的細(xì)節(jié)特征。

當(dāng)需要進(jìn)一步高分辨率分析時(shí)，新一代聚焦離子束（FIB）技術(shù)成為首選。FIB結(jié)合SEM，允許樣品在納米級(jí)別進(jìn)行精細(xì)加工和觀察。蔡司和賽默飛均已推出相關(guān)顯微鏡產(chǎn)品。

四、電池的原位測試和多技術(shù)關(guān)聯(lián)應(yīng)用

一種檢測手段常常無法完全表征材料屬性。所以，行業(yè)將不同的測試設(shè)備協(xié)同應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)多手段的關(guān)聯(lián)，則可以在測試中得到多維度的信息，使結(jié)果更為直觀。

早期，多手段關(guān)聯(lián)的出發(fā)點(diǎn)，是以不同分辨率來觀察被測對(duì)象的需求。利用 CT→X 射線顯微鏡→ FIB-SEM，選定區(qū)域并逐級(jí)放大，就可以得到更為全面和精確的信息，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)快速定位，使檢測更為高效。

▲ 正極材料的多尺度關(guān)聯(lián)分析 來源：蔡司（使用蔡司 Xradia Versa、Ultra、FIB-SEM 系列產(chǎn)品多尺度關(guān)聯(lián)測試）

為了實(shí)現(xiàn)原位多角度分析，如德國 WITec、捷克 Tescan、蔡司等推出了 RISE 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)拉曼成像與 SEM 等技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，通過電池表面形貌（SEM）、元素分布（EDS）與電極材料分子組成信息（Raman 圖譜）結(jié)合。

材料測試通常伴隨制樣過程，由于 FIB-SEM 需要對(duì)同一個(gè)樣品進(jìn)行多次制樣測試來構(gòu)建 3D 圖像，采用常規(guī)制樣方法需要消耗很長時(shí)間。為解決這個(gè)問題，蔡司提出了一組非常巧妙的聯(lián)合方案。更多精彩內(nèi)容，請查閱《纖毫畢現(xiàn)，追根溯源 – 探索電池高效生產(chǎn) 打造高品質(zhì)電池的奧秘》白皮書。