使用FIB-SEM和TOF-SIMS探索Li-ion电池中的Li分布

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锂离子电池是用于电子设备和最先进的混合动力汽车的领先储能解决方案。为了提高性能，需要更好地理解细胞和电极不同区域中的化学过程和物种。一个重大的挑战是了解电化学细胞中的LI离子分布，因为LI很难通过许多常见分析技术（例如EDX，XRD和XAS）检测到。相比之下，飞行时间二级离子质谱法（TOF-SIMS）提供了一种非常有力的测量LI的方法，包括其在材料中的空间分布，即使在非常低的浓度方面也是如此。因此，TOF-SIMS提供了一个很好的途径，以更好地了解李离子电池的行为。

在锂离子电池的循环过程中，电极的反应速率差异会导致电化学活性颗粒的不均匀降解，尤其是在高循环速率下。yabo214这意味着可能存在不同晶体形式的锂，这可能会损害细胞的运行。例如，在反应阶段捕获LI可能会降低其功能寿命。映射锂细胞中的化学成分和LI分布是理解其功能和提高性能的重要步骤。

多模式相关显微镜的应用

结构，化学成分（LI，F和MN）和锂离子电池材料中的元素分布的表征可以揭示李离子传输，结构效应（相变，内部压力），电池性能和降解之间的关系。亚博网站下载实现这一目标的一种新颖方法是将聚焦离子束和扫描电子显微镜（FIB-SEM）与TOF-SIMS组合在一起。LI，MN和F分布的纳米级映射具有揭示电化学反应的微结构成本。这还允许识别结构内的LI“捕获”站点，从而影响性能。

图1。（a）离子图像和（b）质量的顶部投影模拟图像⁷整个电极横截面的li。

FIB-SEM和TOF-SIMS的优点

TOF-SIMS是一种非常敏感的分析方法，能够提供材料表面的化学表征。它通过使用Xe的聚焦离子光束来做到这一点⁺在样品电极表面的10-30 keV的能量下。二级离子（Si）从试样的顶部原子层发射，这些二次离子通过质谱仪测量。TOF-SIMS通过质谱，深度轮廓和元素/分子图提供了材料的表征。亚博网站下载质谱允许对样品中存在的元素和分子物种进行鉴定和定量。与其他常见的化学分析SEM技术（例如EDX）相比，TOF-SIM可以获得更好的横向和深度分辨率，因为XE的相互作用量较低⁺离子。此外，还可以使用高质量分辨率和高空间分辨率成像的3D化学表征。Tescan二次离子质谱法基于正交TOF-SIMS分析仪与Tescan Fib-SEM系统的组合。这使原位FIB深度分析具有高质量分辨率和高空间分辨率成像。TOF-SIMS与FIB-SEM的耦合提供了出色的性能，可以从一系列复杂的固体材料（例如电极）中产生一系列的3D化学表征和分子信息。亚博网站下载

锂研究

在最近的一项研究中¹使用用Tofwerk TOF-SIMS系统配置的Tescan Fera Xe+等离子体fib-Sem测量了来自放电细胞的老年阴极中LI的全局和局部分布。测量集中在NCM523/石墨全细胞的阴极上，该细胞在30°C时忍受了400个周期为3.0-4.4 V的阴极。由于正电极的变化，该细胞表现出40％的容量损失以及阻抗的显着增加。高电流XE⁺血浆FIB促进了大面积横截面的制备，这些横截面允许使用TOF-SIMS在正电极中进行全球和局部测量。结果表明，LI分布的全局和局部变化以及仅来自电解质的氟的存在。例如，图1显示了整个电极横截面中的LI分布。图像顶部（标记为1-4的颗粒）附近的当前收集器附近的区域显示出比图底部的分离膜附近的颗粒（颗粒5-8）。yabo214LI浓度较高的局部区域与高F浓度的区域相关，表明电解质和LI之间的反应发生，使LI不动，因此无法循环。这些效果因骑自行车时发生的结构变化而加剧。阴极颗粒表现出空隙yabo214，破裂和碎片化。由于侧面反应发生在阴极表面，因此这种破裂的表面暴露于反应，将更多的Li结合到这些新裸露的表面上的不活跃相。如图2所示。图2a显示了单个粒子中的LI分布，甚至在该局部规模上也揭示了变化，在粒子的周围和粒子内的晶界处有显着增强Li的li。图2b显示了伴随粒子中的F分布。 F is well correlated with the Li-rich regions at the periphery of the particle and also along grain boundaries within the particle. The synergistic effect of these changes as revealed by TOF-SIMS is especially detrimental to lithium ion battery performance.

图2。来自单个阴极颗粒的顶部投影SIMS图像（a）的名义质量7对应于li和（b）的名义质量19的图像。yabo214

结论

集成在FIB-SEM中的TOF-SIMS是评估LI ION电池中LI的空间分布的强大方法。FIB的多功能性允许其用于制备横截面，然后为电极和单个粒子长度尺度上的LI分布的TOF-SIMS测量提供初级离子光束。这种方法用于评估老化的李离子细胞的微观结构，结果表明异质的LI分布和反应阶段在限制LI迁移率并导致锂离子细胞的性能和寿命降低。

参考和进一步阅读

1. D.J Miller，D Zapotok，P.Anzalone，T。Samoril，L。Hladik，H。Tesarova，K.P.C Yao，V.A Maroni，D.P。亚伯拉罕等人，使用FIB-SEM和TOF-SIMS探索Li-ion电池中的Li分布，显微镜和微分析24（S1）第370-371页（2018）

额外阅读

• 锂离子电池的多模式FIB-SEM分析-//www.washintong.com/article.aspx?articleId=15344
• Tan Sui，Bohang Song，M。Korsunsky等人，FIB-SEM和TOF-SIMS多模式显微镜对锂离子电池阴极材料的纳米级化学映射，Nano Energy，第17卷，2015年10月，第254-260页。
• J.-M。Tarascon，M。Armand等人，可充电锂电池面临的问题和挑战。自然2000，414，359–367。
• I.V.Veryovkin，C.E.Tripa，A.V.Zinovev等人，TOF SIMS在电池电极上表征SEI层，物理研究部分中的核仪器和方法：梁与材料和原子的相互作用，亚博网站下载第332卷，2014年8月1日，第368-372页。
• Wei Zhang，Hui-Chia Yu，Lijun Wu等人，锂插入纳米颗粒期间的局部浓度逆转，yabo214亚博老虎机网登录科学进展，2018年1月12日，第一卷。4，不。1。

Tescan USA Inc.

Tescan由特斯拉的一组经理和工程师创立，其电子显微镜历史记录从1950年代开始，如今，Tescan是全球著名的聚焦离子束工作站的供应商，扫描电子显微镜和光学显微镜。Tescan的创新解决方案和与客户的合作性质在纳米和微技术领域赢得了领先地位。该公司很荣幸能与一系列科学领域的著名机构一起参加主要的研究项目。Tescan就价值，质量和可靠性为客户提供了领先产品。Tescan USA Inc.是Tescan Orsay Holdings的北美部门，该公司由捷克公司Tescan合并成立，Tescan的合并是SEMS和专注的离子Beam Workstations的全球领先供应商，法国公司Orsay Physics，是定制定制的世界领导者聚焦离子束和电子束技术。

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