日立应用｜固态电池电的原位观察

液态锂电池是目前新能源领域主要的能源解决方案，但是不论是磷酸铁锂还是三元材料都很难突破350Wh/kg的能量密度，在提高能量密度的同时还伴随着很多安全隐患。而固态电池与传统锂电池ZD的区别在于电解质，它使用固体电解质代替了电解液和隔膜。

传统锂电池（左）和固态电池（右）结构

固态电池的优点

1、固态电解质大大降低热失控风险；

2、固态电池电化学窗口更高,可以匹配高能的电,大幅提高理论能量密度；

3、固态电池可以简化封装,缩减电池重量,提高体积能量密度。

固态电池现阶段的发展障碍

1、大部分固态电解质电导率较低,快充性能不佳；

2、循环过程中物理接触变差,影响使用寿命；

3、制备工艺复杂。

而固态电池电之间、电与电解质之间的形貌和结构对于电池整体的性能和安全性有重要的影响，也是研究固态电池性能的关键。目前，日本在固态电池领域的研究相对，其中以氧化物、硫化物路线为主。本文中我们利用日立扫描电镜、离子研磨仪、真空转移系统和原位样品台等设备，对固态电池在充放电过程中电之间的形貌和结构变化进行了观察。

固态电池正中含有金属锂，在空气状态下容易发生反应，因此我们需要对整个制样和观察过程隔绝空气。日立特的真空转移系统可以将样品在手套箱、电子显微镜、离子研磨仪以及原子力显微镜之间隔绝空气转移，从而避免了样品在转移过程中的氧化。

日立真空转移系统

由于固态电池的电界面需要通过切割才可以观察到，本文采用日立的离子研磨仪（IM4000Plus）对整个电池进行无损切割，从而获得电池电的界面。离子研磨仪采用Ar离子加工，可以大大减少加工损伤，同时加工过程是在真空下完成的，配合真空转移系统可以将样品转移到扫描电镜中观察。

离子研磨截面加工过程和日立离子研磨仪IM4000Plus

为了实现通电状态下的原位观察，我们采用了可以原位通电的样品台，且此样品台可以配合真空转移系统工作，可以保证样品从离子研磨仪切割完后隔绝空气转移到原位样品台上，再通过扫描电镜的交换仓转移至样品仓观察。

原位真空样品台

本次观察的固态电池由NCA（Ni-Co-Al）正、硫化物固态电解质和铟对组成，分别对电施加不同的电压和时间，观察电界面的变化。从下图（a）可见，在施加3.1V电压时，固态电和铟对之间有一层In-Li合金层；从（b）图可见在施加3.5V电压60min后合金层向In层扩散（箭头所示）；从（c）图可见在施加3.7V电压110min后，Li的扩散更加明显。由此可见，在高电压或者长时间通电下In-Li合金层会逐渐变宽，Li向In层逐渐扩散。整个过程都是通过日立高端冷场电镜Regulus8230在低电压下观察实现的。Regulus8230可以在低电压下获得背散射电子图像，看到In-Li合金层与电之间的成分衬度，从而判断Li是否扩散。

固态电池截面原位观察

(a)电压3.1V(b)电压3.5V,60min(c)电压3.7V,110minSEM型号:Regulus8230,加速电压:1.5kV,放大倍率:1,000x,信号:HABSE

日立为固态电池的原位观察提供了离子研磨仪、真空转移系统、原位样品台和扫描电镜一整套方案，可以满足新能源客户对锂电池形貌和结构的研究。

参考文献：

1.Long, Lizhen. et al. Polymer Electrolytes for Lithium Polymer Batteries. Journal of Materials Chemistry A. 26 (2016): 138-169.

2.Zhu, Gaolong, et al. Fast Charging Lithium Batteries: Recent Progress and Future Prospects. Small 2019, 1805389-1805402.