蔡司首发新能源汽车电池白皮书，为动力电池高质量管控

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蔡司首发新能源汽车电池白皮书，为动力电池高质量管控

2023-08-27 17:17:47 来源：中国青年网

随着新能源汽车保有量持续提升，整个行业正在进入大规模商业化阶段。企业想在更大的市场、更多的玩家和更激烈的竞争中脱颖而出，动力电池研发生产企业的关键胜算是什么?

(资料图)

蔡司全球首发《新能源汽车电池质量保证白皮书》，通过趋势解读、技术解析、未来挑战等方面，解析动力电池企业如何运用质量控制手段实现技术创新和降本增效。在这本白皮书中，大家将从"更高性能、更高安全、更优成本"三重角度，解锁工业检测在动力电池研发生产中扮演的重要角色。

今天先从电芯入手，看看多种检测维度，如何助力探索新型电芯的结构，改进材料以提高电池性能，让基础研究走得更远、更深。

不少电池企业都为新品起了性感的名字，如"4680"、"问顶"、"M3P"、"短刀"、"XFC"、"凝聚态"，打造富有个体特色且易传播的记忆点，力求让从主机厂到C端用户均耳熟能详。

如果抛开这些名字，让电池返璞归真，我们又可以挖掘出新材料的发现、性能的提升以及产品的创新下那令人轻易无法想象的深度和广度，也就见到真正的冰山底部世界。

在这个底部世界中，各种复杂的物理、化学、电化学过程交织在一起，如同神秘的冰洞。只有通过深入的基础研究，运用合理的检测手段，我们才能逐渐揭开这些奥秘，了解电池内部的微观机制，发现潜力和可能性。

一、对新型电芯的探索，永无止境

动力电池产品的高安全性、高能量密度、高倍率性能、经久耐用和更低成本，是决定其是否能取得市场成功的关键因素。竞争打法的全面升级，意味着在"性能"、"安全性"、"成本"这三个方面的全面升级。

电池企业都想在这些关键因素上表现优异，这就需要超过同行的质量控制手段。首先就要在研发环节，充分了解和控制电池相关材料的特性，选择良好的材料。

材料从根本上决定着电池性能。通过改进材料提高电池性能、优化电池老化机制、应用新型材料、改变电芯结构是电芯研发的主要方向。例如，材料体系方面，采用新型材料体系（高镍正极、硅基负极、锂金属负极、固态电解质等），提高单体能量密度；或者研制出磷酸锰铁锂，探索钠离子电池的商业化应用，降低成本；或者加快固态电池的研发进程，使电池性能更高，更耐久。电芯形状方面，方形电池，尤其是LFP短刀兼顾性能、集成与制造，成为主流企业的优选方案之一；大圆柱电池也是热门方向，特斯拉和宝马均已提出具体的实施规划。快充技术方面，多家主机厂开始导入800V高电压平台，并联合电池企业推出2C~4C快充方案。

动力电池的技术趋势《纤毫毕现，追根溯源–探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书

材料的改性、新型材料的研制、电芯结构的设计，往往多策并举，促成电池的升级和创新。

诸如，从2020年到现在，由特斯拉开局，国内电池企业共同推进的大圆柱电池拥有极其独特的杀手锏：

由于采用钢壳的圆柱外壳以及定向泄压技术，电芯本身的束缚力比较均匀，有效抑制膨胀，为电池包的整体安全提供第一层的有力保障。这也使大圆柱电池在材料上的探索更加大胆，当下高比能路线下的主流用材，高镍三元正极材料、硅基负极材料在大圆柱电池上的使用更为广泛。

全极耳设计，电池直接从正极/负极上的集流体引出电流，成倍增大电流传导面积，缩短电流传导距离，从而大幅降低电池内阻，提高充放电峰值功率。

对于更低成本的锰铁锂电池体系，宁德时代的M3P电池将在第三季度搭载于特斯拉国产Model 3改款车型。网络不断有消息指出M3P电池就是LFMP磷酸锰铁锂电池。宁德时代则在调研中表示，准确说来，M3P不是磷酸锰铁锂，还包含其他金属元素——该公司将其称为"磷酸盐体系的三元"。

容百科技在8月10日的全球化战略发布会上指出，其LFMP率先实现了73产品（锰铁比）大批量供货，并以此为基推进LFMP与三元的复合产品M6P以及下一代工艺产品。他们认为，到2030年，广义的三元材料和磷酸盐仍旧占据主体，三元里面的高镍材料、磷酸盐里面锰铁锂以及钠电都会迎来非常高速的增长。

另一方面，行业也需要支持更高倍率的动力电池。这就需要电池企业在加强电池热管理的同时，还要从电池材料（尤其是负极材料的选择和微观结构的设计）、电极设计、电池形状等出发，降低内阻、加强散热，提高电池的倍率性能。

目前已有多个企业推出快充电池方案。欣旺达在今年上海车展着重推出其闪充电池，在核心材料上部署了专有技术，自主设计闪充硅材料技术、高安全中镍正极和新型硅基体系电解液技术等关键技术，支持电动汽车10分钟可从20%充至80%SOC，让充电像加油一样快。

二、工欲善其事，必先利其器

在电池企业为大众剖析"高性能"、"高安全"、"低成本"电池新品之时，"自研"、"微观"、"纳米级包覆"、"掺杂"、"原位固态化技术"等关键词频频闪现，为主流电池材料进行改性之外，加速LFMP、固态电池等新类型电池的应用。

以近年火热的LMFP为例，该类型电池原存在导电性能、倍率性能以及循环性能较差等问题，但随着碳包覆、纳米化、离子掺杂等改性技术的进步，其电化学性能得以改善。甚至，目前企业正在研究将LFMP或NCM组合使用，兼具低成本、高安全性及高能量密度的优势。

蔚来使用的150kW半固态电池，由卫蓝新能源提供，采用了原位固态化技术。该技术是通过注液保持良好的电解质与电极材料的原子级接触，之后将液体电解质部分或全部转换为固体电解质，这样的好处是能够做到原子尺度的结合，而不是宏观的把电极材料和固态电解质压在一起。

凡此种种，不一而足，充分展现出电池基础研发人的耐心值和创造力，犹如炉火纯青的雕刻家，对微观结构有着清晰的掌握，将每一个微小的纹路都打磨得精雕细琢。

正所谓"工欲善其事，必先利其器"，更优秀的动力电池产品离不开更高效有力的检测工具。

材料的微观结构表征是电芯研发的关键，目前多种材料表征方法被推出并得到广泛应用。

在研发环节，工程师利用光学显微镜、X 射线显微镜、3D 检测来观察电极材料，检测电极缺陷并分析电池失效原理。还可观察材料的粒径尺寸、各种成分的配比及分布情况等，加深研发人员的认识和理解。这些都可以在提高研发效率的同时更好的改善电池性能，进而为材料、工艺的改进提供依据。

三、电池材料的二维显微成像和表征

光学显微镜利用光学原理对物体进行放大，最早成型于 17 世纪。光学显微镜的分辨率与可见光的波长（390~780nm）有关，其最大放大倍数可达 1000 多倍，实现微米级别分辨率，在生命科学、材料科学等领域被广泛应用。

在动力电池研发中，光学显微镜可用来观察电极结构，检测电极缺陷并分析电池失效原理、观察锂枝晶的生长行为等，进而为材料、工艺的改进提供依据。

光学显微镜电极截面失效分析来源：《纤毫毕现，追根溯源 – 探索电池高效生产打造高品质电池的奥秘》白皮书

不过，由于受制于可见光的波长，光学显微镜的放大倍数有限，无法实现对更微观结构的观测，而电子显微镜则很好的解决了这个问题。

电子显微镜最早由英国物理学家卢卡斯于 1931 年发明，利用电子束代替光束，最大放大倍数可达 300 万倍，实现纳米级别分辨率。

由于电子显微镜具备更高的分辨率，在电池研发中，搭配不同的探头，可以得到多维度的信息（成分、表征信息，粒度尺寸，配料占比等），实现对正负极材料、导电剂、粘结剂及隔膜等更微观结构的检测（观察材料的形貌、分布状态、粒径大小、存在的缺陷等）。

常用的观察样品表面形貌的电子显微镜是扫描电子显微镜(SEM)。由于具备高分辨率，SEM 能清楚地反映和记录材料的表面形貌特征，因此成为表征材料形貌最为便捷的手段之一。

配合氩离子抛光技术（又称 CP 截面抛光技术），SEM可以完成对样品内部结构微观特征的观察和分析。这也是目前最有效的制备锂电池材料极片解剖截面的制样方式。

SEM还可以用来观测电池颗粒循环老化的情况。目前，经分析发现，颗粒碎裂表征成为学者改善正极材料性能的切入点。

四、电池检测：从 2D 走向 3D

传统的检测手段通常局限在 2D 平面，但 2D 图像会有局部偏差（比如，制备样品时刚好切到没有问题的部位），3D 图像可以更好的表征材料结构，使检测结果更为直观，有助于加深研发人员的认识和理解，提高研发效率的同时更好的改善电池性能。

在不对电池进行拆解的情况下，通过 X 射线显微镜可以对电池内部特定区域进行高分辨率成像，实现样品的 3D 无损成像，分辨电极颗粒与孔隙、隔膜与空气等，可以大大简化流程，节省时间。

高分辨率显微 CT 可以实现电池内部结构的三维可视化，解决因拆卸等原因造成的内部结构二次损伤等难题，清晰地展示出电池内部的真实情况。在此，X 射线显微镜技术得到应用。

电池内部高分辨率成像（扫描完整样品 - 选择感兴趣区域 - 放大并进行高分辨率成像）来源：蔡司（使用蔡司 Xradia Versa 系列 X 射线显微镜测试）

当前，CT 成像的精度进入亚微米阶段，可以对电池材料及孔隙进行分析检测。

在 X 射线显微镜的基础上，蔡司推出了可以实现随时间（4D）变化的微观结构演化表征方法。利用空间分辨率可达 50nm、体素尺寸低至 16nm 的真正的纳米级三维 X 射线成像，可以获得更多信息，识别更微小的细节特征。

目前，X 射线显微镜可达到最高 50nm 级别的分辨率，当需要研究更高分辨率的细节时，则需要用到新一代聚焦离子束（FIB）技术。FIB 利用高强度聚焦离子束（通常为镓离子）对材料进行纳米加工，配合扫描电镜（SEM），可同时实现对样品的加工和观察。

目前，蔡司和赛默飞都推出了聚焦离子束显微镜。

FIB-SEM示意图，与聚焦离子束的三种工作模式 a.成像；b.加工；c.沉积蔡司，NE时代整理

蔡司双束电镜 Crossbeam 系列结合了高分辨率场发射扫描电镜 (FESEM) 的出色成像和分析性能和 FIB 的优异加工能力，无论是用于多用户实验平台还是科研或工业实验室，利用 Crossbeam 系列模块化的平台设计理念，都可基于自身需求随时升级仪器系统（例如使用Laser+FIB 进行大规模材料加工）。在加工、成像或是实现三维重构分析时，Crossbeam 系列将大大提升 FIB 的应用效率。

当需要分析各种成分的分布，需要模拟仿真，需要看到内部结构时，FIB 可以依托低电压成像，能扫描更多 3D 细节，可以做多种测试，令研发工作成效更高。

五、电池的原位测试和多技术关联应用

无论是光学显微镜，电子显微镜，还是 X 射线显微镜和工业 CT，不同的测试手段各具优势，适用于不同的场景。但一种检测手段常常无法完全表征材料属性。所以，行业将不同的测试设备协同应用，实现多手段的关联，则可以在测试中得到多维度的信息，使结果更为直观。

早期，多手段关联的出发点，是以不同分辨率来观察被测对象的需求。例如，CT和X 射线显微镜可以无损探测，但分辨率相对较低，因此，初看材料时，就可以利用二者先观看形貌特征。扫描电镜具有更高分辨率，例如蔡司以扫描电镜为基础，推出 FIB-SEM 产品，可以实现高分辨率（3nm）的 3D 成像。如此，利用 CT→X 射线显微镜→ FIB-SEM，选定区域并逐级放大，就可以得到更为全面和精确的信息，同时可以实现快速定位，使检测更为高效。

正极材料的多尺度关联分析蔡司（使用蔡司 Xradia Versa、Ultra、FIB-SEM 系列产品多尺度关联测试）

电子显微镜上设有多个拓展口，来添加不同的探头。但在电池研发中，配备的 SE、BSE 和 EDX 探测器，不足以完全表征材料的属性。尤其在样品尺寸大的情况下，不容易聚焦到同一特定颗粒。拉曼探头则可以帮助分析分子结构与组成，界面结构等。但一般情况下，拉曼电子显微镜是独立分开的。因此，如果能对同一被测对象使用BSE、EDS 和拉曼，拍摄三重图像的重叠信息，就能实现原位多角度分析。

显微镜厂商在做如上努力。如德国 WITec、捷克 Tescan、蔡司等推出了 RISE 系统，可以实现拉曼成像与 SEM 等技术的联合应用，通过电池表面形貌（SEM）、元素分布（EDS）与电极材料分子组成信息（Raman 图谱）结合，实现材料的原位多角度分析，了解电池状态以及不同位置材料的形貌、元素和分子组成，进而评价电池性能。

材料测试通常伴随制样过程，由于 FIB-SEM 需要对同一个样品进行多次制样测试来构建 3D 图像，采用常规制样方法需要消耗很长时间。为解决这个问题，蔡司提出了一组非常巧妙的联合方案。

首先，可以用 Versa 大视野范围、无损情况下得到 3D 成像，发现可疑位置。

然后，为了对可疑位置进行更深入的分析，需要剖切到指定位置。使用 Fs-laser 飞秒激光可以实现样品高速率切割（107μm3/sec），进行快速粗制样，迅速完成样品深处的分析，同时不影响 FIB-SEM的高性能和高分辨率。

最后，再用 FIB 精细抛光，并拍照分析。

通过 Versa、FIB-SEM 和 Fs-laser 的联合应用，实现对检测对象的快速定位和制样，使检测更为简单快捷，帮助研发人员提高工作效率。

Versa + FIB-SEM + Fs-laser 关联测试蔡司

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来源：中国日报网

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