锂离子电池基础科学问题_表征方法_李文俊
一文全面了解锂电池材料表征技术
一文全面了解锂电池材料表征技术表征技术对锂离子电池科学与技术的发展至关重要，锂电池表征内容主要包括化学组成、材料形貌、晶体结构、微观组织、表面结构、输运特性、力学特性、热学特性等。
随着技术的不断发展，要准确和全面的理解电池材料的构效关系，就需要综合运用多种实验技术，如原子力-拉曼光谱联用、原位透射电镜、球差校正扫描透射电镜、中子衍射以及二次离子质谱、比表面积分析等。
一、锂电池结构锂电池以含锂的化合物作正极材料，如钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）或磷酸铁锂（LiFePO4）、镍锰酸锂（LiNi0.5Mn1.5O4）等二元或三元材料；负极采用锂-碳层间化合物，主要有石墨、软碳、硬碳等；电解质由溶解在有机碳酸盐中的锂盐组成；聚乙烯、聚丙烯微孔膜作为隔膜位于电池内部正负极之间，保证锂离子通过的同时，阻碍电子传输，目前主要有单层PE、单层PP、3层PP/PE/PP复合膜。
左右滑动查看更多图1 锂电池结构组成二、锂电池材料表征内容1、锂电池电极材料锂电池电极材料表征主要包括电极粉体材料的化学组成、粒径、比表面积、振实密度、杂质含量、颗粒形貌等。
以正极材料研究为例，正极材料性质与性能之间可能存在的复杂多对多关系。
电池材料关心的主要性质包括结构方面和动力学方面，均与材料的组成与微结构密切相关，对电池的综合性能有复杂的影响。
图1 锂离子电池正极材料性质与性能关系图表1锂电池电极材料表征常用指标常用指标测试方法影响化学组成能量弥散X射线谱（EDX）、二次离子质谱（SIMS）、电感耦合等离子体（ICP）电池综合性能pH值pH计pH值高，含碱量大，影响加工性能粒径激光粒度仪加工性能、容量、倍率等比表面积低温N2吸附比表面积测试仪粘结效果振实密度振实密度仪容量杂质含量原子吸收光谱自放电、安全颗粒形貌扫描电镜/投射电镜加工性能、电性能2、电解液锂电池电解液表征主要包括电导率、水分含量、粘度、酸度、密度、表面张力、杂质分析等。
4万5000余字详细总结锂离子电池材料计算方法
4万5000余字详细总结锂离⼦电池材料计算⽅法看了近100篇综述和⽂献总结了锂离⼦电池材料计算⽅法，涉及正极、负极、电解液等多种材料的计算和多尺度计算以及⾼通量计算以及材料基因组等内容。
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参考⽂献较多，就不在⾏⽂中标注，可见⽂末参考⽂献。
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1. 前⾔1.1. 写在前⾯本⽂主要是对⽬前已经公开发表的关于锂离⼦电池材料的计算⽅法进⾏总结，涉及到的内容从第⼀性原理⼀直覆盖到有限元以及材料基因组等多种技术。
与之前发布的多尺度材料计算⽅法不同的是本⽂的主要内容是将多尺度材料计算与⾼通量计算⽅法与锂电材料的具体应⽤场景以及⾏业属性融合在⼀起进⾏撰写的。
这⾥需要明确的⼀点是，在锂电⾏业领域，通过计算材料学技术来提升研发效率、改进质量问题已经成为了⾏业龙头企业的共识，⽬前本⽂作者接触到的很多锂电⾏业企业都已经将计算材料学作为了其研发⼯作中的⼀环。
因此，本⽂基于如下条件：（1）不再讨论计算材料学是否能够应⽤到锂电领域；（2）核⼼观点是在锂电企业的哪个环节要⽤到计算材料学⼯具和相应的⽅法论和使⽤流程。
1.2. 背景介绍新能源材料是现代科技发展的⼀个热点，电池材料的研究也是如⽕如荼。
与此同时，计算机技术的发展使得第⼀性原理计算模拟的应⽤越来越⼴泛。
⽤理论计算来分析电池材料的储能机理能够从原⼦尺度分析电化学反应动⼒学，结合⾼精度的实验表征技术往往可以很好地阐释结构和性能之间的关系。
理论计算也可以⽤来预测电极材料的电化学性能，或者在⼤量的材料中筛选合适的电极材料，⽽不需要繁复的实验和仪器表征。
⽤理论计算来指导实验往往能节约时间和成本。
图1 锂离⼦电池研究过程中空间尺度的跨度1.3. ⽅法分类⽬前针对对于锂离⼦电池材料的计算⽅法主要分为如下⼏类：（1）多尺度计算⽅法，包括第⼀性原理、分⼦动⼒学、计算相图、相场、蒙特卡洛、分⼦⼒场以及有限元等⽅法；（2）热⼒学⽅法和动⼒学⽅法。
锂离子电池基础科学问题(ⅩⅣ)——计算方法
锂离子电池基础科学问题(ⅩⅣ)——计算方法黄杰;凌仕刚;王雪龙;蒋礼威;胡勇胜;肖睿娟;李泓【摘要】基础理论的创新与计算机性能的大幅度提升为高精度与多尺度的计算模拟提供了可能,这些方法也在锂离子电池的研究中得到了广泛的应用.本文介绍了第一性原理、密度泛函理论、分子动力学、蒙特卡罗、相场模拟、分子力场、有限元等不同时间与空间尺度上的模拟方法的基本原理,并探讨了这些方法在锂离子电池基础研究中的应用,如计算电池电压、电极材料的电子结构、能带结构、迁移路径、缺陷生成能、离子在材料体相及不同微观结构中的输运、材料中温度场分布、应力场分布等.【期刊名称】《储能科学与技术》【年(卷),期】2015(004)002【总页数】16页(P215-230)【关键词】计算方法;密度泛函;分子动力学;经典模拟;锂离子电池【作者】黄杰;凌仕刚;王雪龙;蒋礼威;胡勇胜;肖睿娟;李泓【作者单位】中国科学院物理研究所,北京100190;中国科学院物理研究所,北京100190;中国科学院物理研究所,北京100190;中国科学院物理研究所,北京100190;中国科学院物理研究所,北京100190;中国科学院物理研究所,北京100190;中国科学院物理研究所,北京100190【正文语种】中文【中图分类】O646.21计算材料学（computational materials science）是材料科学与计算机科学相互交叉而形成的一门新兴学科，主要用于材料中结构、物性的设计与计算模拟，涉及物理、化学、计算机、材料学、数学等多个学科领域[1]。
近年来，随着基础理论的创新与计算机性能的大幅度提升，计算材料学也得到了快速的发展[2]。
根据所研究问题的内容与所在的空间与时间尺度，计算材料学的模拟方法涵盖了从微观原子、分子水平，到介观微米级别，直至宏观尺度的各种理论。
图1展示了不同尺度上的主要模拟方法[3].计算材料学的迅速发展极大地促进了能源材料的研发进程[4]。
锂离子电池计算方法
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锂离子电池计算方法（大纲）一、锂离子电池基本原理1.1锂离子电池的工作原理1.2锂离子电池的组成及结构二、锂离子电池关键性能参数2.1容量2.2能量密度2.3循环寿命2.4充放电速率2.5安全性三、锂离子电池计算方法3.1电池容量计算3.1.1额定容量计算3.1.2实际容量计算3.2电池能量密度计算3.3循环寿命预测3.4充放电速率计算3.5安全性能评估四、锂离子电池计算模型4.1电池等效电路模型4.1.1Thevenin模型4.1.2PNGV模型4.2电池电化学模型4.2.1电化学机理模型4.2.2简化电化学模型4.3电池热管理模型4.3.1热传导模型4.3.2热对流模型五、锂离子电池计算软件及工具5.1常用电池计算软件介绍5.1.1BatteryDesignStudio5.1.2COMSOLMultiphysics5.2电池计算工具开发5.2.1MATLAB工具箱5.2.2Python电池计算库六、锂离子电池计算应用实例6.1电池管理系统（BMS）设计6.1.1BMS功能需求6.1.2BMS计算方法6.2电池组热管理设计6.2.1热管理策略6.2.2热管理计算方法6.3电池寿命预测与优化6.3.1寿命预测方法6.3.2电池优化策略一、锂离子电池基本原理锂离子电池是一种广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和储能系统的关键电源。
锂离子电池浆料表面张力测量
锂离子电池浆料表面张力测量1. 引言1.1 概述锂离子电池作为一种重要的能量存储装置，在移动电子设备、电动车辆和储能系统等领域得到广泛应用。
然而，随着对锂离子电池性能提升要求的不断增加，对其材料表面性质进行深入研究变得尤为重要。
其中，浆料的表面张力是一个关键参数，它直接影响到锂离子电池内部碳酸盐沉积、固液界面反应和离子传输等过程。
1.2 文章结构该文将以“锂离子电池浆料表面张力测量”为主题，系统地介绍了相关的测量方法、仪器和实验操作步骤，并通过梳理已有的研究进展案例，展示了表面张力在锂离子电池研究中的应用。
最后，本文总结存在问题与不足，并指出未来研究方向。
1.3 目的本文旨在全面阐述锂离子电池浆料表面张力的测量方法及其在锂离子电池研究中的应用价值。
通过对已有研究的综述，总结出相关问题和不足，并提出未来的研究方向。
通过这样的分析与探讨，可以为锂离子电池材料设计和性能优化提供重要的参考依据，推动锂离子电池技术的发展。
2. 锂离子电池浆料表面张力测量方法2.1 界面张力的基本概念界面张力是指两种不同介质之间的相互作用力，即液体与气体或液体与固体之间相互作用产生的表面张力。
在浆料中，由于存在不同组分的粒子和溶剂，这些组分之间存在着复杂的相互作用。
界面张力的测量可以帮助我们了解材料内部结构和化学活性。
2.2 常用的测量方法和原理常用的锂离子电池浆料表面张力测量方法包括垂直平衡法、动态悬滴法、静态悬滴法和脱附法等。
- 垂直平衡法：通过向待测试液体中加入一根细玻璃管，在重力作用下使液体形成液柱，并通过调整液柱长度来平衡液-气界面上的张力。
根据杨氏方程计算出表面张力。
- 动态悬滴法：使用一支注射器注入待测试液体，然后以恒定速率从针尖自然流下形成一个毛细管吸湿滴。
通过测量滴落的时间和重力对液滴的拉开长度，计算出表面张力。
- 静态悬滴法：使用一支针管将待测试液体吸入，并使其形成一个静止在针尖上的液滴。
通过测量液滴的形态和重力对液滴的拉伸程度，计算出表面张力。
锂离子电池原理及正负极材料关键问题
锂离子电池原理及正负极材料的关键问题锂电池是一类以金属锂或含锂物质作负极的电的化学源总称，自1991年锂离子电池问世并商业化消费以来，锂离子电池因具有高的比能量，长循环寿命，低自放电和绿色环保等一系列优点，受到当今社会的广泛关注和大力开展。
一、根本原理所谓锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的活性物质作为正负极构成的二次电池。
电池充电时, 锂离子从正极脱嵌, 经过电解质嵌入负极，放电时，锂离子那么从负极脱出, 插入正极。
以将炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池为例。
在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子。
当对电池进展充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。
而作为负极的碳呈层状构造，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。
同样，当对电池进展放电时〔即我们使用电池的过程〕，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。
回正极的锂离子越多，放电容量越高。
我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。
在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。
Li-ion Batteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运发动一样在摇椅来回奔跑。
所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。
正极反响：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。
正极可选材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐负极反响：放电时锂离子脱插，充电时锂离子插入。
负极材料多采用石墨。
电池总反响：锂离子电池是由电极材料、电解质和隔膜等部分组成, 其性能在很大程度上取决于电池组成材料的性能和制备工艺，尤其是正极和负极材料。
因此研究高能锂离子电池的关键技术是采用在充放电过程中能可逆地嵌脱锂离子的正、负极材料。
二、正负极材料〔一〕正极材料正极材料是锂离子电池开展的关键技术之一，应满足条件：①足在所要求的充放电范围内, 与电解质溶液有电化学相溶性；②温和电极过程动力学；③高度可逆性：④全锂化状态下在空气中稳定性好。
锂离子电池基础科学问题_表征方法_李文俊
图5 Fig.5 锂离子电池研究过程中空间尺度的跨度 Scale of dynamic processes in batteries
644 年
储
能
科 学
与
技
术
2014 年第 3 卷
ICP）是一种用来分析物质的组成元素及各种元素 含量的一种常用方法。能量分辨率较低，不具备空 间分辨、时间分辨能力。根据检测方式的不同 ICP 分为 ICP-AES （ atomic emission spectroscopy ）和 ICP-MS（mass spectrometry）两种方法。ICP-AES 是 根据每种原子或离子在热或电激发，处于激发态的 待测元素原子回到基态时发射出特征的电磁辐射而 进行元素定性和定量分析的方法。ICP-MS 是根据运 动的气态离子按质荷比（M/Z）大小进行分离并记录 其信息的分析方法。ICP-AES 可以很好地满足实验 室主、次、痕量元素常规分析的需要；ICP-MS 相比 ICP-AES 是近些年新发展的技术，仪器价格更贵， 检出限更低，主要用于痕量/超痕量分析。ICP 方法 广泛用于锂离子电池正极材料[1-5]、负极材料[6-8]、电 解液[9]、锂硫[10]及锂空电池[11-12]的材料化学元素组 成分析。 Aurbach 等[1]在研究正极材料与电解液的界 面问题时， 用 ICP 方法研究 LiCoO2 和 LiFePO4 在电 解液中的溶解性。通过改变温度、电解液的锂盐种 类、水含量、用碳包覆的正极材料等参数，用 ICP 测量改变参数时电解液中的 Co 和 Fe 含量的变化， 从而找到减小正极材料在电解液中溶解的关键。精 确测量过渡金属在电解液中随着充放电过程、储存 图 6 锂离子电池实验技术的空间分辨分布图 过程、高温环境下的溶出，对正极材料、电解质材 Fig.6 Space-resolution scheme of experimental techniques 料、合成工艺的设计至关重要。 in lithium ion batteries Park 等[2]在研究微波加热制备 LiFePO4 时，用 以下按照分析内容进行简要介绍和讨论。 ICP 分析合成的 LiFePO4 中 Li/Fe 的比值随着制备条 件改变时发生的变化，从而得到制备条件改变不会 1 元素成分及价态 影响 LiFePO4 的成分变化。Meligrana 等[3]在研究表 材料成分的表征主要有能量弥散 X 射线谱 面活性剂对水热方法合成 LiFePO4 的影响时，用 （EDX） 、二次离子质谱（SIMS） 、电感耦合等离子 ICP-AES 研究随着表面活性剂浓度的变化，合成的 体（ICP） 、X 射线荧光光谱仪（XRF），其中 SIMS LiFePO4 材料中的 Li、Fe、P、C 各个成分百分比的 可以分析元素的深度分布且具有高灵敏度。元素价 变化。Wang 等[6]用 ICP 研究不同的加热方法制备 态的表征主要有 X 射线光电子谱（XPS） 、电子能 SnO2 石墨复合物中 Sn 的含量变化。Fey 等[7]用 ICP 量损失谱 （EELS） 、 扫描透射 X 射线成像 （STXM） 、 研究稻米壳热解制备碳的过程中，酸处理和热解温 X 射线近边结构谱（XANES）等。由于价态变化导 度等对得到的碳成分的影响。 Yoshikawa 等[8]用喷雾 致材料的磁性变化，因此通过测量磁化率、顺磁共 干燥的方法制备富锂的 Li4Ti5O12，并研究得到富锂 振（ESP） 、核磁共振（NMR）也可以间接获得材料 Li4Ti5O12 的电化学性质。为了确定富锂相中 Li 和 中元素价态变化的信息。若含 Fe、Sn 元素，还可 Ti 的原子比， 作者用 ICP-MS 得到精确的 Li、 Ti 比。 以通过穆斯鲍尔谱（Mössbauer）来研究。杂质测量 在大量的正极材料研究中，偏离整比的材料设计经 也有专门的分析技术。下文将介绍几类主要表征技 常可以见到，所以准确测定制备材料的摩尔比，特 术在锂电池领域的应用。 别是 Li 在材料中的摩尔比， 对于检验目标材料是否 1.1 电感耦合等离子体 达到设计要求以及了解性能优异材料的化学组成必 电感耦合等离子体（inductive coupled plasma， 不可少。 有的过程在较小的尺度发生， 大体包括结构、 输运、 化学与电化学反应过程。这些现象和反应的时间尺 度也是从皮秒到秒到小时的跨度。 既然 Li+的动力学过程涉及到亚埃至毫米量级 的空间跨度，对它进行研究时，也需要使用具有 相应空间分辨、时间分辨、能量分辨能力的设备 或表征技术。现有的锂离子电池实验技术的时间、 空间、能量分辨能力大体如图 6 所示。研究者可 以采用不同的表征技术，从不同尺度针对不同的 问题研究锂离子电池中存在的现象及物理化学 过程。
锂离子电池基础科学问题计算方法
锂离子电池基础科学问题计算方法一、本文概述随着能源危机和环境污染问题的日益严重，锂离子电池作为一种高效、环保的能源存储和转换方式，受到了广泛的关注和研究。
然而，锂离子电池的基础科学问题，如电池性能衰减、热失控、离子迁移机制等，仍是制约其进一步发展和应用的关键难题。
因此，采用计算方法研究锂离子电池的基础科学问题，对于推动锂离子电池技术的发展具有重要意义。
本文旨在介绍锂离子电池基础科学问题的计算方法，包括第一性原理计算、蒙特卡洛模拟、分子动力学模拟等，并探讨这些方法在锂离子电池研究中的应用和限制。
通过本文的阐述，读者可以了解计算方法在锂离子电池基础科学研究中的重要性和潜力，以及如何利用这些方法深入理解和解决锂离子电池的关键科学问题。
本文也旨在为从事锂离子电池研究的科研人员提供一种有效的计算工具和研究思路，推动锂离子电池技术的进一步发展和应用。
二、锂离子电池的基本原理锂离子电池（LIBs）是一种基于锂离子在正负极之间嵌入和脱嵌过程的二次电池。
这种电池具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优点，因此在便携式电子设备、电动汽车、储能系统等领域得到了广泛应用。
锂离子电池的基本原理包括正极、负极、电解质和隔膜四个主要部分。
在充放电过程中，锂离子在正负极之间往返迁移，实现化学能和电能之间的相互转换。
具体来说，充电时，锂离子从正极材料中脱出，经过电解质和隔膜，嵌入到负极材料中；放电时，锂离子则从负极材料中脱出，再经过电解质和隔膜，返回到正极材料中。
这种锂离子的迁移过程，就是锂离子电池充放电的基本原理。
锂离子电池的正极材料通常为含锂的过渡金属氧化物，如LiCoOLiMn2OLiFePO4等，这些材料具有较高的电势和较好的结构稳定性，能够提供较高的能量密度。
负极材料则通常为碳材料，如石墨、硅基材料等，这些材料具有较低的电势和较高的比容量，能够提供较长的循环寿命。
电解质则负责在正负极之间传输锂离子，常见的电解质有有机电解液和固态电解质等。
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in lithium ion batteries
以下按照分析内容进行简要介绍和讨论。
1 元素成分及价态
材料成分的表征主要有能量弥散 X 射线谱 （EDX）、二次离子质谱（SIMS）、电感耦合等离子
摘 要：表征技术的进步对于锂离子电池科学与技术的发展至关重要。一般希望获得锂离子电池材料及电池的
广泛信息，包括化学组成、材料形貌、晶体结构、微观组织、表面结构、输运特性、力学特性、热学特性等。
本文总结了锂电材料常用的表征技术及其研究现状与发展趋势，包括最近发展的具有高时间和空间分辨的表征
手段，如原子力-拉曼光谱联用、原位扫描电镜、原位透射电镜、球差校正扫描透射电镜、扫描透射 X 射线成像、
图 2 正极材料中由于离子迁移可能引起的结构问题
Fig.2 Structure evolution caused by migration of ions in
cathode lattice
负极材料的研究同样面临复杂的情况。石墨负 极已经广泛应用在锂离子电池中，但一些基本的问 题，如膨胀、阶结构的形成、不对称动力学特性、 溶剂共嵌入、表面固体电解质膜（SEI）等问题，仍 不是非常清楚。高容量硅负极材料需要考虑的问题 更多。如图 3 所示，列出了硅负极材料研究一般需 要考虑的性质与性能问题。硅负极主要存在体积形 变很大，导致裂纹的产生，界面反应，黏结剂、电 解液添加剂的选择等问题，这直接影响了硅负极的 循环性能、首周效率、循环效率、倍率性能、功率、 安全性等性能。电解液、隔膜的许多性质也对电池 性能有重要影响，在此不再赘述。
锂离子电池中涉及的动力学过程在空间尺度上 大致如图 5 所示。有的过程在多个尺度体现，
图 5 锂离子电池研究过程中空间尺度的跨度 Fig.5 Scale of dynamic proces 年
储能科学与技术
2014 年第 3 卷
有的过程在较小的尺度发生，大体包括结构、输运、 化学与电化学反应过程。这些现象和反应的时间尺 度也是从皮秒到秒到小时的跨度。
体（ICP）、X 射线荧光光谱仪（XRF），其中 SIMS 可以分析元素的深度分布且具有高灵敏度。元素价 态的表征主要有 X 射线光电子谱（XPS）、电子能 量损失谱（EELS）、扫描透射 X 射线成像（STXM）、 X 射线近边结构谱（XANES）等。由于价态变化导 致材料的磁性变化，因此通过测量磁化率、顺磁共 振（ESP）、核磁共振（NMR）也可以间接获得材料 中元素价态变化的信息。若含 Fe、Sn 元素，还可 以通过穆斯鲍尔谱（Mössbauer）来研究。杂质测量 也有专门的分析技术。下文将介绍几类主要表征技 术在锂电池领域的应用。 1.1 电感耦合等离子体
图 1 锂离子电池正极材料研究中性质与性能之间可能存在 的复杂多对多关系
Fig.1 Possible relationship between properties and performances of cathode materials for lithium ion batteries
第6期
待测元素原子回到基态时发射出特征的电磁辐射而 进行元素定性和定量分析的方法。ICP-MS 是根据运 动的气态离子按质荷比（M/Z）大小进行分离并记录 其信息的分析方法。ICP-AES 可以很好地满足实验 室主、次、痕量元素常规分析的需要；ICP-MS 相比 ICP-AES 是近些年新发展的技术，仪器价格更贵， 检出限更低，主要用于痕量/超痕量分析。ICP 方法 广泛用于锂离子电池正极材料[1-5]、负极材料[6-8]、电 解液[9]、锂硫[10]及锂空电池[11-12]的材料化学元素组 成分析。Aurbach 等[1]在研究正极材料与电解液的界 面问题时，用 ICP 方法研究 LiCoO2 和 LiFePO4 在电 解液中的溶解性。通过改变温度、电解液的锂盐种 类、水含量、用碳包覆的正极材料等参数，用 ICP 测量改变参数时电解液中的 Co 和 Fe 含量的变化， 从而找到减小正极材料在电解液中溶解的关键。精
液态锂离子电池中存在正极材料与电解液、负 极材料与电解液的固液界面。电池中表界面的性质 与电池最后表现出来的性能息息相关，如图 4 所示。 材料表面的晶体结构与体相不同，由于悬挂键、表 面相的存在导致表面活性很高，与液体接触的界面
可能发生很多副反应，影响电池的性能。另外，电 池服役过程中，表面组成、结构发生演化，复杂溶 剂、溶质在电极材料表面竞争吸附、发生电荷转移， 在表界面形成稳定或不稳定的新相，骨架原子溶出， 都影响到材料的功率密度、循环寿命、服役寿命、 自放电率、安全特性、温度特性等性能。事实上， 锂离子电池电极材料中结构问题和表界面问题是电 池需要研究的核心问题。
李文俊等：锂离子电池基础科学问题（Ⅻ）——表征方法
年 643
性能有复杂的影响。每一项性能可能与材料的多种 性质有关，每一类性质也可能影响多项性能，具体 问题需要具体分析，没有特别统一的规律，这给电 池的研究带来了很大的挑战。
以结构演化为例，锂离子电池的正极材料通常 是含有锂元素以及可变价过渡金属元素的材料，如 六方层状结构 LiCoO2、正交橄榄石结构 LiFePO4、 立方尖晶石结构 LiMn2O4 等。在锂离子脱嵌过程中， 可能带动其它骨架阳离子、阴离子、掺杂原子的迁 移，进而对材料结构产生影响。如图 2 所示，离子 的迁移可能会造成宿主材料局域晶格的扭曲、阳离 子混占位、堆垛层错、相变、相分离、出现空穴与 裂纹等情况。结构演化的过程还受电池充放电制度、 倍率、温度、电解液、电极结构等因素影响。因此， 锂离子电池正极材料结构演化的研究，需要十分仔 细、系统地设计实验，否则容易得出片面的结论。
中子衍射以及二次离子质谱等。
关键词：锂离子电池；实验方法；表征技术
doi: 10.3969/j.issn.2095-4239.2014.06.012
中图分类号：TQ 028.8
文献标志码：A
文章编号：2095-4239（2014）06-642-26
Fundamental scientific aspects of lithium batteries（Ⅻ）— Characterization techniques
锂离子电池材料和器件的实验研究方法主要
①
包括表征技术和电化学测量两部分。准确和全面的 理解电池材料的构效关系需要综合运用多种实验技 术。以正极材料的研究为例，图 1 小结了正极材料 性质与性能之间可能存在的复杂多对多关系。电池 材料关心的主要性质包括结构方面和动力学方面， 均与材料的组成与微结构密切相关，对电池的综合
既然 Li+的动力学过程涉及到亚埃至毫米量级 的空间跨度，对它进行研究时，也需要使用具有 相应空间分辨、时间分辨、能量分辨能力的设备 或表征技术。现有的锂离子电池实验技术的时间、 空间、能量分辨能力大体如图 6 所示。研究者可 以采用不同的表征技术，从不同尺度针对不同的 问题研究锂离子电池中存在的现象及物理化学 过程。
advanced characterization techniques. Various physical and chemical properties are expected to obtain, including chemical composition, morphology, crystal structure, microstructure, surface structure, transport properties, mechanical properties, thermal properties. Here main characterization techniques for investigating lithium ion batteries have been introduced, including several new time and spatial resolved techniques, such as AFM-Raman; in-situ SEM and TEM; spherical aberration-corrected STEM; STXM; neutron diffraction and SIMS. Key words：lithium ion battery；experimental method；characterization techniques
收稿日期：2014-09-24；修改稿日期：2014-09-28。 基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）（2012CB932900）及国 家自然科学基金杰出青年基金（51325206）项目。 第一作者：李文俊（1990—），男，博士研究生，研究方向为金属锂负 极及其保护，E-mail：wenjunli1990@；通讯联系人：李泓，研 究员，研究方向为固体离子学与锂电池材料，E-mail：hli@。
LI Wenju，CHU Geng，PENG Jiayue，ZHENG Hao，LI Xiyang，ZHENG Jieyun，LI Hong
（Institute of Physics，Chinese Academy of Science，Beijing 100190，China）
Abstract：Scientific and technological progresses in lithium ion batteries are highly depending on
图 3 硅负极材料研究的性质与性能的关系 Fig.3 Possible relations between performances and
properties of silicon anode
图 4 电池中表界面问题对电池性能的影响图示 Fig.4 Surface/interface problems in batteries