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電池研究與測試
針對電池研究、生產及測試的技術
Thermo Fisher Scientific提供各種工具及儀器，可用於電池研究、原料控制以及當前與先進電池技術的生產。
評估電極、隔膜、黏著劑、電解質及其他元件的分析性解決方案，有助於提升電池完整性並降低電池故障的風險。在實驗室、現場或生產線上，合適的分析儀器有助於確保用於電池開發與製造所需的高純度鋰及其他金屬。
不論您是生產現有的或改良後的鋰離子電池，還是設計與測試下一代電池技術，Thermo Scientific儀器及軟體都將協助您了解其化學組成，並將電池的性能及效率發揮極致。
| 電子顯微技術 | XPS | EDS | 拉曼FTIR |
| 電池材料的多尺度成像及分析。 | 表面分析。 定量化學狀態。 | 高空間解析度的元素成像。 | 化合物識別及成像。 |
軟體 操作、實驗室管理、資料管理、視覺化呈現及分析 | |||
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| XRF/XRD/OES | 流變儀&雙螺桿押出 | 互補技術 |
元素及結構分析。 | 流動性質的特徵分析。 電極漿料與聚合物的混煉。 | 層析法。 質譜法。 化學品。 線上處理。 |
| 軟體 操作、實驗室管理、資料管理、視覺化呈現及分析 | ||
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電池的電子顯微成像及分析
使用電子顯微技術及Avizo進行多尺度成像及分析
在電池研究、開發與製造中，掃描式電子顯微法（SEM）、DualBeam（亦稱為聚焦離子束掃描式電子顯微法或FIB-SEM）及穿透式電子顯微法（TEM）等成像技術，主要是用來研究電池材料及電芯的2D及3D結構與化學。
Thermo Scientific電子顯微解決方案可以捕捉與分析從中尺度（mesoscale）或巨觀尺度（macroscale）到原子尺度（atomic scale）的電池影像，讓電池研究人員及工程師能夠開發更安全、更有效率、更耐用且更環保的電池。
電池應用的電子顯微技術及Avizo軟體使用案例
挑戰 | 技術 | 解決方案 | 資源 |
避免汙染 在製備及樣品轉移的過程中避免對空氣、濕氣及／或光束敏感的電池樣品造成汙染 | IGST工作流程： DualBeam、SEM／桌上型SEM（位於手套箱內）、TEM、Avizo、CleanConnect | 完整的工作流程可確保敏感的電池樣品在其原生狀態且未受汙染之情況下進行樣品特徵分析 | |
使用SEM、EDS及TEM難以偵測鋰 | TOF-SIMS | 以2D及3D的方式準確地偵測電池樣品中的鋰並繪製其分布情況，最低可至10 ppm | |
TEM | iDPC技術可清楚地進行鋰等原子尺度光元素的成像 | ||
進行超出單一儀器能力之不同尺度的電池結構特徵分析 | CT、SEM、Raman、DualBeam、Avizo、EDS | 對電池微觀結構進行多尺度成像及分析的相關工作流程 | |
以高抛光品質在樣品表面準備一個2D區域，進行2D成像及特徵分析 | DualBeam（電漿FIB-SEM）、EDS | 高處理量自動化旋轉銑刀，實現高表面品質 | |
SEM、CleanMill | Thermo Scientfic CleanMill是專為對空氣敏感的樣品提供的工作流程，超高能量的離子槍用來進行快速拋光，而低溫功能則可保護樣品的完整性 | ||
| 規格表： CleanMill寬離子束系統 | |||
進行用於電極結構性能相關的關鍵微觀結構性質特徵分析（例如彎曲度） | DualBeam、EDS、TOF-SIMS、Avizo | 電池材料的3D特徵分析 · 用於不同尺度3D電池結構成像的硬體 · 用於自動化3D成像資料收集的軟體 · Thermo Scientific Avizo軟體工作流程，用於影像分析及量化 | |
奈米尺度的光束敏感材料之特徵分析，例如SEI | TEM、EDS、Avizo | 能源材料的奈米尺度及原子尺度特徵分析 · Cryo-EM工作流程，實現準確的資料收集及優異的EDS性能 · Avizo軟體，用於結構量化及視覺化 | |
在不造成任何損傷的情況下，進行光束敏感隔膜樣品的特徵分析 | SEM／SDB | 優異的低KeV成像及冷凍FIB銑削解決方案，可對隔膜微觀結構進行2D及3D的特徵分析 | |
透過電子顯微鏡進行的原位動力學分析（例如加熱） | SEM | 多個原位加熱階段選擇，搭配Thermo Scientific SEM的整合軟體，以了解陰極合成機制 | |
透過電子顯微技術探測鈕扣電池內的固有SEI | 雷射電漿FIB | 高能量雷射搭配高銑削速率實現直接橫截面銑削，以了解鋰金屬電芯的劣化機制 | |
材料QC需要比OM更高的解析度，但我們的實驗室放不下落地式SEM，而手動分析又太慢 | 桌上型SEM | Thermo Scientfic Phenom XL桌上型SEM可透過高處理量自動化，進行陽極與陰極材料的高解析度形態分析及QC | |
原料中金屬雜質的識別及量化至關重要，但ICP及光學顯微鏡都無法做到這兩點 | 桌上型SEM、EDS | Thermo Scientfic Phenom ParticleX桌上型SEM可利用高處理量的自動化EDS工作流程，識別並量化顆粒雜質 | |
使用一般的SEM至EDS工作流程檢測電極雜質過程緩慢又冗長 | ChemiSEM、EDS | Thermo Scientfic Axia ChemiSEM將SEM與「即時 EDS」整合，可立即進行電極雜質的特徵分析 | |
電池生產中的故障分析及QC需要SEM等級的解析度，但落地式機型往往占據太多空間 | 桌上型SEM | 精巧的Phenom桌上型SEM可對電池材料進行高解析度、高處理量的分析 | |
黏著劑特徵分析很困難，但這對於確認電極結構而言至關重要 | SEM、DualBeam | Thermo Scientfic Apreo 2 SEM其獨特的T3偵測器具有優異的成像對比度，可繪製電極內非導電性黏著劑的分布 | |
單獨使用CT很難識別雜質以進行根本原因分析 | CT/SDB、EDS、Avizo | 相關的CT／雷射PFIB工作流程不需要拆解電芯即可識別深層嵌入的雜質 | |
故障分析需要高解析度橫截面拋光，但同時仍要能保護樣品 | SEM、CleanMill | CleanMill是專為對空氣敏感的樣品提供的工作流程，超高能量的離子槍用來進行快速拋光，而低溫功能則可保護樣品的完整性 | |
| 規格表：CleanMill寬離子束系統 |
縮寫：Avizo＝Avizo軟體，CT＝電腦斷層掃描，DualBeam＝聚焦離子束掃描電子顯微法（FIB-SEM），EDS＝能量色散X射線光譜，FIB＝聚焦離子束，FTIR＝傅立葉轉換紅外線光譜，ICP＝感應耦合電漿，iDPC＝整合式微分相差，IGST＝惰性樣品氣體傳輸，SDB＝小型DualBeam，SEI＝固態電解質相間薄膜，SEM＝掃描式電子顯微法，SPE＝固態聚合物電解質，TEM＝穿透式電子顯微法，TOF-SIMS＝飛行時間式二次離子質譜。
電池的XPS定量分析
使用XPS進行定量表面分析
X射線光電子能譜（XPS）為一種表面分析技術，可提供有關材料頂層的定量元素及化學狀態資訊。
XPS對於了解電解質與電極之間的薄膜至關重要。可研究鋰離子電芯的陰極與陽極材料，以確認循環後組成的變化，了解電極元件的化學變化，並測定固態電解質相間薄膜（SEI）之深度隨其發展的變化。已證明XPS在研究石墨電極材料之表面預處理方面的實用性，可大幅減緩電池充電期間材料的不可逆消耗。
XPS應用於電池技術的使用案例
挑戰 | 技術 | 解決方案 | 資源 |
了解固態電解質薄膜之化學計量與深度的函數關係 | XPS | XPS深度分析可量化每個深度的元素 |
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原料特徵分析 | XPS | 可利用XPS在形成電極之前分析粉末材料的表面，測定化學計量並識別汙染物 |
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量測電極表面化學狀態 | XPS | XPS可量化電極表面出現的化學狀態 | |
追蹤SEI層的演變 | XPS | 可使用XPS及簇離子源對材料進行深度分析，以追蹤SEI層循環後的發展情況 |
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原位電極循環 | XPS | 可原位操作電極，以監控充電及放電時的頻譜變化 |
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調查電芯壽命期間，隔膜化學的變化 | XPS | 使用XPS可輕鬆進行聚合物材料表面化學的特徵分析 |
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縮寫：XPS＝X射線光電子能譜。
電池的高空間解析度元素分析
使用EDS進行高空間解析度的元素成像
能量色散X射線光譜（EDS或EDX）是一種常用的分析方法，可在使用掃描式電子顯微鏡（SEM）的同時進行快速、準確及非破壞性的組成分析。電子束與樣品的物理交互作用產生X射線，X射線為樣品元素組成的特徵，可用來識別及詮釋樣品內材料的空間分布。
就電池研究而言，EDS是一種非常有價值的工具，可用來識別電池內的預期材料，以及會限制其性能或安全的汙染物。
電池技術的EDS使用案例
挑戰 | 技術 | 解決方案 | 資源 |
進行超出單一儀器能力之不同尺度的電池結構特徵分析 | CT、SEM、Raman、DualBeam、Avizo、EDS | 對電池微觀結構進行多尺度成像及分析的相關工作流程 | |
以高抛光品質在樣品表面準備一個大範圍2D區域，進行2D成像及特徵分析 | DualBeam（電漿FIB-SEM）、EDS | 高處理量自動化旋轉銑刀，實現高表面品質 | |
進行用於電極結構性能相關的關鍵微觀結構性質特徵分析（例如彎曲度） | DualBeam、EDS、TOF-SIMS、Avizo | 電池材料的3D特徵分析 · 用於不同尺度3D電池結構成像的硬體 · 用於自動化3D成像資料收集的軟體 · Thermo Scientific Avizo軟體工作流程，用於影像分析及量化 | |
奈米尺度的光束敏感材料之特徵分析，例如SEI | TEM、EDS、Avizo | 能源材料的奈米尺度及原子尺度特徵分析 · Cryo-EM工作流程，實現準確的資料收集及優異的EDS性能 · Avizo軟體，用於結構量化及視覺化 | |
原料中金屬雜質的識別及量化至關重要，但ICP及光學顯微鏡都無法做到這兩點 | 桌上型SEM、EDS | Phenom ParticleX桌上型SEM可利用高處理量的自動化EDS工作流程，識別並量化顆粒雜質 | |
使用一般的SEM至EDS工作流程檢測電極雜質過程緩慢又冗長 | ChemiSEM、EDS | Axia ChemiSEM將SEM與「即時 EDS」整合，可立即進行電極雜質的特徵分析 | |
單獨使用CT很難識別雜質以進行根本原因分析 | CT/SDB、EDS、Avizo | 相關的CT／雷射PFIB工作流程不需要拆解電芯即可識別深層嵌入的雜質 |
縮寫：Avizo＝Avizo軟體，CT＝電腦斷層掃描，DualBeam＝聚焦離子束掃描電子顯微法（FIB-SEM），EDS＝能量色散X射線光譜，FIB＝聚焦離子束，ICP＝感應耦合電漿，SDB＝小型DualBeam，SEI＝固態電解質相間薄膜，SEM＝掃描式電子顯微法，TEM＝穿透式電子顯微法，TOF-SIMS＝飛行時間式二次離子質譜。
電池的化合物組成分析
使用拉曼及FTIR光譜進行化學化合物識別
拉曼光譜技術利用光及分子振動的交互作用產生光譜，可用來識別材料、進行分子結構的特徵分析、評估形態及監控動態程序。Thermo Scientific拉曼儀器是各種電池應用中的寶貴工具，例如可用來識別電極中的相位及結構，並區分具體的碳同素異形體。拉曼是一種快速、非破壞性的技術，只需要簡單的樣品製備，且可用於原位或非原位分析。
傅立葉轉換紅外線（FTIR）光譜可提供樣品的分子資訊，在本質上可與拉曼光譜互補。Thermo Scientific Nicolet Summit FTIR光譜儀憑藉其緊湊性、多工、高處理量及精度方面的優勢，在電池研究、開發與生產中具有各種應用，例如鋰及其他活性鹽的特徵分析。
拉曼及FTIR電池應用之案例
挑戰 | 技術 | 解決方案 | 資源 |
非原位分析電池元件，不會遺漏整個區域的變化 | 拉曼 | 拉曼顯微技術可統合元件面積或橫截面的量測 | |
識別陽極與陰極的相並測定結構 | 拉曼 | 拉曼顯微技術能以視覺化的方式顯示具有不同性能特徵之相同材料於不同相位的空間分布 | |
追蹤並繪製整個充電及放電循環的陽極組成 | 拉曼 | 利用拉曼顯微鏡觀察原位監控充電／放電循環期間電極表面的變化 | |
確認作為陽極元件及混合材料中特定之碳的同素異形體之存在 | 拉曼 | 拉曼光譜特別適用於分析碳的同素異形體，包括混合材料中的碳 | |
了解固體聚合物電解質（SPE）中，離子種類的關聯及組成的分布 | 拉曼 | 可利用拉曼顯微技術將SPE中組成的空間分布視覺化，並顯示離子締合 | |
快速地進行鋰、金屬氧化物及鋰化合物的特徵分析 | 拉曼 | Thermo Scientific 拉曼儀器可透過簡單的樣品製備快速地分析這些化合物 | |
區分碳的同素異形體、展現陽極材料結構，並追蹤使用期間的變化 | 拉曼 | 拉曼光譜在區分碳的不同同素異形體以及評估這些材料的結構品質上特別實用 | |
繪製陽極SEI層的劣化情況 | 拉曼 | 利用拉曼顯微技術視覺化呈現電芯使用後電極材料及成分分布的變化 | |
鋰及其他高反應性鹽類的特徵分析 | FTIR | 緊湊的Thermo Scientfic Nicolet FTIR儀器，可遠端在氬氣吹掃手套箱內控制並量測樣品的光譜 | |
監控在火災、短路或其他危險情況下，電池釋出的氣體及釋放的化學物質 | FTIR | Thermo Scientfic Antaris IGS系統配備有加熱閥抽屜，可量化在車輛碰撞等超負荷情況下釋放出的HF及其他氟化氣體 | |
| 在鋰離子電池的回收或儲存期間，固態電解質相間介面（SEI）的薄膜可能受損，導致 氣體產生 並可能導致電池膨脹 | FTIR及GC-MS | GC-MS的高效分離與定量偵測結合FTIR獨特的結構識別功能，可對複雜的氣體樣品進行完整的分析 | 應用說明：使用GC-MS-FTIR分析鋰離子電池氣體 |
縮寫：FTIR＝傅立葉轉換紅外線光譜，SEI＝固態電解質相間薄膜，SPE＝固態聚合物電解質，GC-MS＝氣相層析質譜。
電池的元素分析
使用XRF、XRD、OES進行元素及結構分析。
X射線螢光（XRF）光譜提供從次ppm級到100%級的B-Am定性及定量元素組成。XRF可分析粉末、固體及液體樣品的整體成分，典型的探測深度範圍為µm至mmm。
陰極材料的正確化學組成會影響最終電池的性能，而XRF可在生產過程中用於控制此過程。作為一種快速、穩定且可靠的分析技術，XRF亦是進入製程之原料及元件的品質與程序管控（QC）的理想選擇，以確保符合要求並偵測雜質。
電池技術的XRF、XRD、OES使用案例
挑戰 | 技術 | 解決方案 | 資源 |
鎳、鈷、錳、鐵及鋰礦石的元素分析及等級控制 | XRF | 我們的XRF實驗室光譜儀可量化開採液體或固體材料樣品中多達90種元素，以便控制控制礦體含量以進行精煉及加工 | 應用說明： 利用WDXRF進行鋰原料分析 |
評估原料的純度 | XRF | 從ppm到100%的元素分析，對碳黑中的雜質進行預篩 | |
偵測缺陷、夾雜物及不完全度 | XRF | 元素映射（Elemental mapping）及小至0.5 mm的微小異物分析 | |
應用說明：利用Thermo Scientific ARL PERFORM’X 1500 W高階WDXRF光譜儀，在低功率下使用元素映射（elemental mapping）進行樣品分析 | |||
控制陽極、陰極、電解質、隔離及其他元件的純度 | XRF、OES | 波長色散X射線螢光光譜（WDXRF） 及光學發射光譜（OES）可進行雜質及汙染的日常例行監控 | |
將要回收的進料分類並控制回收金屬中的雜質 | XRF | 用於回收鋁、鎳、鈷、錳及石墨等金屬的黑土（black mass）元素分析 | 應用說明： 石墨的微量分析 |
識別陽極與陰極的相並測定結構 | XRD | XRD有助於識別並量化關注之具體的多態結構，以提高產量及效率 | |
研究電池材料的結晶度、穩定性及反應性 | XRD | XRD可即時測定活性材料之結晶度相對於非晶質含量的百分比、結構穩定性以及可重複性 | |
原位追蹤充電／放電反應 | XRD | 在充電／放電期間，每個電池電芯的陰極與陽極都會發生變化。XRD能追蹤相位組成的變化及晶體結構的演變 | |
識別並量化原料中的礦物組成 | XRD | 陽極與陰極的相位識別及結構測定 | |
針對電池的陽極，同時進行主要元素（%等級）及微量雜質（ppm、mg/kg）的量化 | ICP-OES | Thermo Scientfic iCAP 6000系列ICP-OES可準確地量測溶液中的濃度，範圍從<0.006 mg/L到將近3000 mg/L（6個數量級） | 應用說明：使用Thermo Scientific iCAP 6000系列Radial ICP-OES，同時測定鋰離子電池陰極中的雜質及主要元素 |
依據現行的鉛酸電池標準，對鉛及鉛合金中的微量元素進行量化分析 | OES | Thermo Scientfic ARL iSpark光學發射光譜儀可對鉛酸電池中的微量元素及合金元素進行分析 |
縮寫：ICP＝感應耦合電漿，OES＝光學發射光譜，XRD＝X射線繞射，XRF＝X射線螢光光譜。
電池漿料的特徵分析
鋰離子電池漿料的流變特徵分析
利用流變學來量測不同漿料中的黏度函數，以預測電池製程（從原料到製造，以及漿料製作之混煉過程中的品質管控）許多階段中的流動行為、穩定性及加工能力。了解電極漿料的流變性質是精確的印刷程序所必需的，才能夠取得高容量及高充電循環次數的電池。
流變技術於電池應用之使用案例
| 挑戰 | 技術 | 解決方案 | 資源 |
了解電極漿料的流變性質至關重要，才能夠：
| 流變學 | 使用流變儀以高精度量測各種剪切速率下的流動曲線 | 隨選網路研討會：電池製造與研究中的旋轉流變儀 |
電池漿料的分散性及分布性混合
使用雙螺桿押出優化電池製程
雙螺桿混煉可提供連續生產程序，其具有精確控制的材料剪切、熱傳、材料處理量及停留時間。雙螺桿押出程序可提供高再現性、較少的清潔時間以及高材料與人力效率。
相較於在溶解器等中分批混煉的替代方式，雙螺桿押出機具有優異的分散性及分布性混合能力，使陰極漿料更加均質。進而能提升材料的性能。
押出技術應用於電池之使用案例
For Research Use Only. Not for use in diagnostic procedures.