应用分享丨Axia ChemiSEM评估电池材料中的异物的工作流程

以下文章来源于赛默飞材料与结构分析中国 ，作者赛默飞

前言

在电池制造过程中的引入异物是影响电池品质的一大主要问题。从正极、负极及电芯的生产，到电池模块的组装和测试，电池制造过程的各个阶段都可能混入异物，进而导致各种问题，例如，材料的使用效率降低，电池退化加速，甚至电池发生内短路。因此，全面了解在电池制造过程中可能出现异物的情况是非常必要的。

通过将扫描电镜(SEM)和X射线能谱分析(EDS)技术结合，能够获得电池材料中异物的结构和元素信息。但是，由于此类异物的浓度水平通常较低，如果使用传统的EDS进行研究，采集图像时需要花费较长的时间。在本应用文档中，我们介绍一种简便方法用于快速定位以及表征电池材料中的异物，即利用全新SEM平台—Thermo Scientific™ Axia™ ChemiSEM，快速、方便地分析材料的微观结构并发现缺陷的工作流程。

图1. 通过自动化、逐帧采集生成低倍率、大尺度导航蒙太奇图像，用于实现快速样品导航，样品区域尺寸为750µmx370µm。采集参数：加速电压20keV，束流0.13uA。

大尺度导航

Axia ChemiSEM将传统SEM的各种成像模式与实时元素定量面分析功能全面集成在一起，可以快速识别更大面积范围内的各类异物。图1所示为使用Axia ChemiSEM获取的钴酸锂(LiCoO2)正极样品表面的大尺度导航图像。该图像中同时包含SEM和EDS数据，采集时间不到15分钟。通常，仅仅通过SEM灰阶图像给出形貌信息和基于背散射电子信号显示的成分衬度，无法提供足够的信息用于确定感兴趣的区域并进行异物分析。这主要是因为背散射电子图像的衬度基于原子序数，而如果异物元素与主要元素的原子序数过于接近，就无法在灰阶图像中区分开来。

然而，通过Axia ChemiSEM的元素定量分析功能，我们在大尺度概览图像中可以直接观察到Mg、Al、Ti等外来元素的分布情况。利用该图像，我们可以快速找到异物所在位置，并进行更细致的表征。

集成化SEM-EDS分析

基于大尺度导航图像，作为参考，用户只需单击即可将感兴趣位置移动到视野中心，在很大程度上加快了数据采集进程。我们对图1中所选的感兴趣区域进行了更细致的元素成分分析。图2（上）为所选区域的扫描电镜的背散射图像，图像可以给出成分衬度，但是所包含的信息不足以确定异物的元素成分；由于Axia ChemiSEM的X射线检测始终处于工作状态，每次获取灰阶图像，都可以近乎即时地给出定量元素信息。用户只需要激活定量元素视图，相关的定量元素分析也会同时显示出来，如图2（下）所示。

图2.感兴趣区域的背散射电子图像（上）和80秒元素定量面分布图（下）。（采集参数：加速电压10keV、束流0.76nA、驻留时间5us）。

为了更好地了解每种元素的分布情况，系统可以生成一系列元素分布图像，每次突出显示一种元素，如图3所示。结果表明，电极样品中除含有Co元素之外，还有Al、Mg、Ti等元素，这些可能是在正极材料合成、混合或电极涂覆等电池制造环节中掺入的。用户只要将注意力集中在寻找这些外来元素上，就可更加直观、准确地发现问题。

图3. 顶部第 一张图像显示电池极片中Co元素分布情况，另外三张图像分别显示Al、Mg、Ti元素的分布情况。顶部图像中的红点表示的是将进一步分析的位置。

EDS点分析

为进一步对图3中的异物进行分析，我们利用EDS元素点分析的方法准确定量分析异物元素，尤其是定量分析Al元素。因为Axia ChemiSEM用户界面完全集成了传统EDS的所有功能，在对特征区域进行定点元素分析时，我们不需要切换到其他软件就可以完成分析。（图3顶部图像中的红点表示元素点分析的位置。）

为了消除相互作用体积对污染物成分定量结果的影响，我们采用了不同的加速电压和束流分析了同一个位置点。图4显示的是不同加速电压条件下的点分析结果。

图4.不同采集条件下的异物成分定量分析结果，采集条件分别为10keV 和0.76nA、5keV和0.28nA、3keV和0.16nA。

Axia ChemiSEM采用增强型图形用户界面，提供自动化系统对中功能，更改分析参数时无需再手动对中，分析更加快速、简便，因此，可以快速获得三种不同表征条件下的元素点分析结果。分析时所用加速电压从10keV到3keV，而3keV是可激发Al k线（1.4866 keV）所需的最小值。如图4所示，尽管加速电压不同，所得到的定量结果却都是一致的。

在三种不同表征条件下的元素点分析结果一致，证明钴酸锂颗粒中含有一定量的Al元素，这很可能说明在烧结过程中有Al元素与钴酸锂前驱体发生了反应生成了含有Al跟Co的异物。根据该分析结果，研究人员可以确定，要消除这种异物的产生，需要仔细检查合成钴酸锂的原料以及烧结过程中所涉及的相关设备。

结论

为确保电池质量和性能，全面评估电池材料中的异物至关重要。凭借Thermo Scientic Axia ChemiSEM，首先利用大尺度SEM-EDS面分析，快速、简便地识别电极中的异物；接着利用EDS定量分析，细致的分析每种异物的分布情况；最 后再进行能谱点分析，精确定量异物中的每种元素的含量。

Axia ChemiSEM将扫描电镜成像(SEM)与X射线能谱分析(EDS)合二为一，形成集成化方案，可以迅速发现问题、分析问题并给出准确结果。Axia ChemiSEM实时能谱分析技术结合自动对中功能，可以实现电池电极的高效表征，让用户体验更加流畅。使用Axia ChemiSEM，电池制造商可以针对污染物，实现进行快速、简单的SEM-EDS分析，从而提高研究效率，减少制造过程中的异物含量，并提高电池性能。