蔡司首發新能源汽車電池白皮書，為動力電池高質量管控"續航"

　　隨著新能源汽車保有量持續提升，整個行業正在進入大規模商業化階段。企業想在更大的市場、更多的玩家和更激烈的競爭中脫穎而出，動力電池研發生產企業的關鍵勝算是什么 ?

　　蔡司全球首發《新能源汽車電池質量保證白皮書》 ，通過趨勢解讀、技術解析、未來挑戰等方面，解析動力電池企業如何運用質量控制手段實現技術創新和降本增效。在這本白皮書中，大家將從"更高性能、更高安全、更優成本"三重角度，解鎖工業檢測在動力電池研發生產中扮演的重要角色。

　　今天先從電芯入手，看看多種檢測維度，如何助力探索新型電芯的結構，改進材料以提高電池性能，讓基礎研究走得更遠、更深。

　　不少電池企業都為新品起了性感的名字，如"4680"、"問頂"、"M3P"、"短刀"、"XFC"、"凝聚態"，打造富有個體特色且易傳播的記憶點，力求讓從主機廠到C端用戶均耳熟能詳。

　　如果拋開這些名字，讓電池返璞歸真，我們又可以挖掘出新材料的發現、性能的提升以及產品的創新下那令人輕易無法想象的深度和廣度，也就見到真正的冰山底部世界。

　　在這個底部世界中，各種復雜的物理、化學、電化學過程交織在一起，如同神秘的冰洞。只有通過深入的基礎研究，運用合理的檢測手段，我們才能逐漸揭開這些奧秘，了解電池內部的微觀機制，發現潛力和可能性。

　　一、對新型電芯的探索，永無止境

　　動力電池產品的高安全性、高能量密度、高倍率性能、經久耐用和更低成本，是決定其是否能取得市場成功的關鍵因素。競爭打法的全面升級，意味著在"性能"、"安全性"、"成本"這三 個方面的全面升級。

　　電池企業都想在這些關鍵因素上表現優異，這就需要超過同行的質量控制手段。首先就要在研發環節，充分了解和控制電池相關材料的特性，選擇良好的材料。

　　材料從根本上決定著電池性能。通過改進材料提高電池性能、優化電池老化機制、應用新型材料、改變電芯結構是電芯研發的主要方向。 例如，材料體系方面，采用新型材料體系(高鎳正極、硅基負極、鋰金屬負極、固態電解質等)，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化應用，降低成本;或者加快固態電池的研發進程，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，成為主流企業的優選方案之一;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施規劃。快充技術方面，多家主機廠開始導入800V高電壓平臺，并聯合電池企業推出2C~4C快充方案。

　　動力電池的技術趨勢 來源：《纖毫畢現，追根溯源–探索電池高效生產 打造高品質電池的奧秘》白皮書

　　材料的改性、新型材料的研制、電芯結構的設計，往往多策并舉，促成電池的升級和創新。

　　諸如，從2020年到現在，由特斯拉開局，國內電池企業共同推進的大圓柱電池擁有極其獨特的殺手锏：

　　由于采用鋼殼的圓柱外殼以及定向泄壓技術，電芯本身的束縛力比較均勻，有效抑制膨脹，為電池包的整體安全提供第一層的有力保障。這也使大圓柱電池在材料上的探索更加大膽，當下高比能路線下的主流用材，高鎳三元正極材料、硅基負極材料在大圓柱電池上的使用更為廣泛。

　　全極耳設計，電池直接從正極/負極上的集流體引出電流，成倍增大電流傳導面積，縮短電流傳導距離，從而大幅降低電池內阻，提高充放電峰值功率。

　　對于更低成本的錳鐵鋰電池體系 ，寧德時代的M3P電池將在第三季度搭載于特斯拉國產Model 3改款車型。網絡不斷有消息指出M3P電池就是LFMP磷酸錳鐵鋰電池。寧德時代則在調研中表示，準確說來，M3P不是磷酸錳鐵鋰，還包含其他金屬元素——該公司將其稱為"磷酸鹽體系的三元"。

　　容百科技在8月10日的全球化戰略發布會上指出，其LFMP率先實現了73產品(錳鐵比)大批量供貨，并以此為基推進LFMP與三元的復合產品M6P以及下一代工藝產品。他們認為，到2030年，廣義的三元材料和磷酸鹽仍舊占據主體，三元里面的高鎳材料、磷酸鹽里面錳鐵鋰以及鈉電都會迎來非常高速的增長。

　　另一方面，行業也需要支持更高倍率的動力電池。這就需要電池企業在加強電池熱管理的同時，還要從電池材料（尤其是負極材料的選擇和微觀結構的設計）、電極設計、電池形狀等出發，降低內阻、加強散熱，提高電池的倍率性能。

　　目前已有多個企業推出快充電池方案。欣旺達在今年上海車展著重推出其閃充電池，在核心材料上部署了專有技術，自主設計閃充硅材料技術、高安全中鎳正極和新型硅基體系電解液技術等關鍵技術，支持電動汽車10分鐘可從20%充至80%SOC，讓充電像加油一樣快。

　　二、工欲善其事，必先利其器

　　在電池企業為大眾剖析"高性能"、"高安全"、"低成本"電池新品之時，"自研"、"微觀"、"納米級包覆"、"摻雜"、"原位固態化技術"等關鍵詞頻頻閃現，為主流電池材料進行改性之外，加速LFMP、固態電池等新類型電池的應用。

　　以近年火熱的LMFP為例，該類型電池原存在導電性能、倍率性能以及循環性能較差等問題，但隨著碳包覆、納米化、離子摻雜等改性技術的進步，其電化學性能得以改善。甚至，目前企業正在研究將LFMP或NCM組合使用，兼具低成本、高安全性及高能量密度的優勢。

　　蔚來使用的150kW半固態電池，由衛藍新能源提供，采用了原位固態化技術。該技術是通過注液保持良好的電解質與電極材料的原子級接觸，之后將液體電解質部分或全部轉換為固體電解質，這樣的好處是能夠做到原子尺度的結合，而不是宏觀的把電極材料和固態電解質壓在一起。

　　凡此種種，不一而足，充分展現出電池基礎研發人的耐心值和創造力，猶如爐火純青的雕刻家，對微觀結構有著清晰的掌握，將每一個微小的紋路都打磨得精雕細琢。

　　正所謂"工欲善其事，必先利其器"，更優秀的動力電池產品離不開更高效有力的檢測工具。

　　材料的微觀結構表征是電芯研發的關鍵，目前多種材料表征方法被推出并得到廣泛應用。

　　在研發環節，工程師利用光學顯微鏡、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，加深研發人員的認識和理解。這些都可以在提高研發效率的同時更好的改善電池性能，進而為材料、工藝的改進提供依據。

　　三、電池材料的二維顯微成像和表征

　　光學顯微鏡利用光學原理對物體進行放大，最早成型于 17 世紀。光學顯微鏡的分辨率與可見光的波長(390~780nm)有關，其最大放大倍數可達 1000 多倍，實現微米級別分辨率，在生命科學、材料科學等領域被廣泛應用。

　　在動力電池研發中，光學顯微鏡可用來觀察電極結構，檢測電極缺陷并分析電池失效原理、觀察鋰枝晶的生長行為等，進而為材料、工藝的改進提供依據。

　　光學顯微鏡電極截面失效分析 來源：《纖毫畢現，追根溯源 – 探索電池高效生產 打造高品質電池的奧秘》白皮書

　　不過，由于受制于可見光的波長，光學顯微鏡的放大倍數有限，無法實現對更微觀結構的觀測，而電子顯微鏡則很好的解決了這個問題。

　　電子顯微鏡最早由英國物理學家盧卡斯于 1931 年發明，利用電子束代替光束，最大放大倍數可達 300 萬倍，實現納米級別分辨率。

　　由于電子顯微鏡具備更高的分辨率，在電池研發中，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），實現對正負極材料、導電劑、粘結劑及隔膜等更微觀結構的檢測（觀察材料的形貌、分布狀態、粒徑大小、存在的缺陷等）。

　　常用的觀察樣品表面形貌的電子顯微鏡是掃描電子顯微鏡(SEM)。由于具備高分辨率，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。

　　配合氬離子拋光技術(又稱 CP 截面拋光技術)，SEM可以完成對樣品內部結構微觀特征的觀察和分析。這也是目前最有效的制備鋰電池材料極片解剖截面的制樣方式。

　　SEM還可以用來觀測電池顆粒循環老化的情況。目前，經分析發現，顆粒碎裂表征成為學者改善正極材料性能的切入點。

　　四、電池檢測：從 2D 走向 3D

　　傳統的檢測手段通常局限在 2D 平面，但 2D 圖像會有局部偏差(比如，制備樣品時剛好切到沒有問題的部位)，3D 圖像可以更好的表征材料結構，使檢測結果更為直觀，有助于加深研發人員的認識和理解，提高研發效率的同時更好的改善電池性能。

　　在不對電池進行拆解的情況下，通過 X 射線顯微鏡可以對電池內部特定區域進行高分辨率成像，實現樣品的 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，節省時間。

　　高分辨率顯微 CT 可以實現電池內部結構的三維可視化，解決因拆卸等原因造成的內部結構二次損傷等難題，清晰地展示出電池內部的真實情況。在此，X 射線顯微鏡技術得到應用。

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

　　當前，CT 成像的精度進入亞微米階段，可以對電池材料及孔隙進行分析檢測。

　　在 X 射線顯微鏡的基礎上，蔡司推出了可以實現隨時間（4D）變化的微觀結構演化表征方法。 利用空間分辨率可達 50nm、體素尺寸低至 16nm 的真正的納米級三維 X 射線成像，可以獲得更多信息，識別更微小的細節特征。

　　目前，X 射線顯微鏡可達到最高 50nm 級別的分辨率，當需要研究更高分辨率的細節時，則需要用到新一代聚焦離子束(FIB)技術。FIB 利用高強度聚焦離子束(通常為鎵離子)對材料進行納米加工，配合掃描電鏡(SEM)，可同時實現對樣品的加工和觀察。

　　目前，蔡司和賽默飛都推出了聚焦離子束顯微鏡。

FIB-SEM示意圖，與聚焦離子束的三種工作模式 a.成像;b.加工;c.沉積 來源：蔡司，NE時代整理

　　蔡司雙束電鏡 Crossbeam 系列結合了高分辨率場發射掃描電鏡 (FESEM) 的出色成像和分析性能和 FIB 的優異加工能力，無論是用于多用戶實驗平臺還是科研或工業實驗室，利用 Crossbeam 系列模塊化的平臺設計理念，都可基于自身需求隨時升級儀器系統(例如使用Laser+FIB 進行大規模材料加工)。在加工、成像或是實現三維重構分析時，Crossbeam 系列將大大提升 FIB 的應用效率。

　　當需要分析各種成分的分布，需要模擬仿真，需要看到內部結構時，FIB 可以依托低電壓成像，能掃描更多 3D 細節，可以做多種測試，令研發工作成效更高。

　　五、電池的原位測試和多技術關聯應用

　　無論是光學顯微鏡，電子顯微鏡，還是 X 射線顯微鏡和工業 CT，不同的測試手段各具優勢，適用于不同的場景。但一種檢測手段常常無法完全表征材料屬性。所以，行業將不同的測試設備協同應用，實現多手段的關聯，則可以在測試中得到多維度的信息，使結果更為直觀。

　　早期，多手段關聯的出發點，是以不同分辨率來觀察被測對象的需求。例如，CT和X 射線顯微鏡可以無損探測，但分辨率相對較低，因此，初看材料時，就可以利用二者先觀看形貌特征。掃描電鏡具有更高分辨率，例如蔡司以掃描電鏡為基礎，推出 FIB-SEM 產品，可以實現高分辨率(3nm)的 3D 成像。如此，利用 CT→X 射線顯微鏡→ FIB-SEM，選定區域并逐級放大，就可以得到更為全面和精確的信息，同時可以實現快速定位，使檢測更為高效。

正極材料的多尺度關聯分析 來源：蔡司(使用蔡司 Xradia Versa、Ultra、FIB-SEM 系列產品多尺度關聯測試)

　　電子顯微鏡上設有多個拓展口，來添加不同的探頭。但在電池研發中，配備的 SE、BSE 和 EDX 探測器，不足以完全表征材料的屬性。尤其在樣品尺寸大的情況下，不容易聚焦到同一特定顆粒。拉曼探頭則可以幫助分析分子結構與組成，界面結構等。但一般情況下，拉曼電子顯微鏡是獨立分開的。因此，如果能對同一被測對象使用BSE、EDS 和拉曼，拍攝三重圖像的重疊信息，就能實現原位多角度分析。

　　顯微鏡廠商在做如上努力。如德國 WITec、捷克 Tescan、蔡司等推出了 RISE 系統，可以實現拉曼成像與 SEM 等技術的聯合應用，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)結合，實現材料的原位多角度分析，了解電池狀態以及不同位置材料的形貌、元素和分子組成，進而評價電池性能。

　　材料測試通常伴隨制樣過程，由于 FIB-SEM 需要對同一個樣品進行多次制樣測試來構建 3D 圖像，采用常規制樣方法需要消耗很長時間。為解決這個問題，蔡司提出了一組非常巧妙的聯合方案。

　　首先，可以用 Versa 大視野范圍、無損情況下得到 3D 成像，發現可疑位置。

　　然后，為了對可疑位置進行更深入的分析，需要剖切到指定位置。使用 Fs-laser 飛秒激光可以實現樣品高速率切割(107μm3/sec)，進行快速粗制樣，迅速完成樣品深處的分析，同時不影響 FIB-SEM的高性能和高分辨率。

　　最后，再用 FIB 精細拋光，并拍照分析。

　　通過 Versa、FIB-SEM 和 Fs-laser 的聯合應用，實現對檢測對象的快速定位和制樣，使檢測更為簡單快捷，幫助研發人員提高工作效率。

Versa + FIB-SEM + Fs-laser 關聯測試 來源：蔡司

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