徕卡显微系统为电池研发提供从样品制备、无应力加工到跨设备安全传输的完整电镜制样解决方案,致力于将最真实的样品内部结构,无损地呈现在您的观测视野中。
01
研发挑战
新能源电池,尤其是固态电池的研发与失效分析,对观测的真实性与精度提出了前所未有的要求。
敏感材料与复杂结构构成首要难题。高镍正极、金属锂负极等材料在空气中极不稳定,常规制样会引入假象。
电池本身也是由正极、负极、隔膜、电解液(或固态电解质)组成的多相复合体系,物理化学性质各异,对制样方法构成多重挑战。
精细定位与无损加工是分析失效点的关键。如何精准定位微米级的缺陷或特定反应界面,并对其进行无应力、无热损伤的加工暴露,是获得真实分析结果的前提。
02
整体解决方案
面对挑战,徕卡提供的不再是孤立的设备,而是一个系统性工作流程,确保样品从制备到观察全程“保真”。
该流程核心在于“全程受控”。针对敏感样品,解决方案贯穿从初始切割到最终电镜观察的每一个环节。
惰性环境制备与传输是研究如金属锂等活性材料的基石。徕卡真空冷冻传输系统(如EM VCT500)能在冷冻或常温、真空或保护气体条件下转移样品,确保其从制样设备到电镜观察台全程不与大气接触。
下表展示了徕卡如何针对不同电池组件特性提供针对性解决方案:
电池组件/材料类型 | 核心制样挑战 | 徕卡针对性解决方案 |
高镍正极、金属锂负极 | 对空气、水氧极度敏感,易反应变质。 | 真空/冷冻传输系统,实现全流程惰性环境制备与转移。 |
电极极片(涂覆层) | 多层软硬复合结构,机械切割易分层、变形。 | 三离子束切割/抛光,实现无应力平整截面,暴露真实孔隙与填充状态。 |
隔膜材料 | 柔软、多孔,干燥后结构塌陷,湿态又难以观察。 | 临界点干燥EM CPD300全自动临界点干燥仪或冷冻超薄切片技术,保持其原始三维多孔结构。 |
失效点位(如枝晶、裂纹) | 需要微米级精确定位,并无损暴露界面。 | 精研一体机(EM TXP)结合光学观察实现定点修块与抛光。 |
03
核心产品展示
为实现上述解决方案,徕卡提供了专为材料科学设计的系列精密制样设备。
徕卡三离子束切割仪EM TIC 3X是应对电池材料多样性的核心。它采用独特的鞍型场离子枪,能量分散,加工时热效应极低,完美适用于含有机物或对热敏感循环后样品。
该设备功能高度灵活,支持常温、冷冻、真空传输等多种模式,可根据高活性正负极材料的需求随时升级,实现全程无氧加工与观察。
徕卡真空冷冻传输系统EM VCT500是研究敏感材料的“生命线”。它像一个在设备间穿梭的微型保险箱,能主动冷却样品,并在对接后持续监控样品的温度与真空度,确保脆弱的电池材料结构在转移过程中毫发无损。
徕卡超薄切片机UC Enuity专为需要透射电镜(TEM)观察的样品设计。其独特的重力切片模式和震动解耦机械结构,可制备出厚度均匀(可达50纳米)的超薄切片,用于观察原子级晶体结构变化。
以下为几款核心制样设备的功能简介:
产品名称 | 核心功能 | 解决的关键问题 |
徕卡EM TIC 3X三离子束切割仪 | 常温/冷冻离子束无应力切割与抛光。 | 获得无损伤的真实材料表面,用于形貌与成分分析。 |
徕卡EM VCT500真空冷冻传输系统 | 连接手套箱、制样设备与电镜,实现样品在惰性环境下的安全转移。 | 保护空气/温度敏感样品(如固态电池界面)在转移过程中不失真。 |
徕卡UC Enuity超薄切片机 | 制备厚度均匀的超薄切片(20-50000nm),用于TEM观察。 | 揭示材料原子级晶体结构、界面相变等微观信息。 |
徕卡EM TXP精研一体机 | 集成锯、磨、抛光功能,结合光学显微镜实现微米级精确定位加工。 | 精准暴露特定失效点(如单个电极颗粒裂纹),进行定点分析。 |
04
典型应用场景
这些技术与设备已深入电池研发的各个关键领域。
在“失效分析与质量检测”中,研究人员利用徕卡三离子束切割仪,对循环后的NCM(镍钴锰)三元正极材料粉末进行切割,清晰揭示了内部因充放电产生的微裂纹网络,为分析容量衰减机理提供了直接证据。
在“固态电池研发”前沿,冷冻电镜技术变得至关重要。徕卡的冷冻制样与传输方案,可将固态电池中活泼的锂金属电极与固态电解质的界面,在极低温下“冻结”并保存其原始状态。
最终在低电压电镜下,直观观察到锂枝晶的生长形貌与固态电解质界面(SEI)的结构,这是评估固态电池安全性与循环寿命的关键。
在“电极工艺优化”方面,通过离子束抛光制备的极片完美截面,可以定量分析不同压实工艺下电极内部孔隙的分布与连通性,以及活性材料、导电剂和粘结剂的混合均匀程度,为提升电池能量密度和倍率性能提供工艺指导。
徕卡电镜制样解决方案正助力全球前沿的新能源实验室与企业。当一块经过徕卡全流程制备的电池截面样品在电镜下清晰呈现时,研究人员看到的不仅是图像,更是能量密度提升的路径、安全隐患根除的方案,以及下一代电池技术突破的起点。
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