蔡司新能源汽车电池检测方案，助力电池基础研发创新

电池企业都想在“性能”、“安全性”、“成本”等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。

材料体系方面，采用高镍正极、硅基负极、锂金属负极等新型材料体系，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，多家主机厂联合电池企业推出2C~4C快充方案。这就需要电池企业从电池材料（尤其是负极材料的选择和微观结构的设计）、电极设计等出发，降低内阻、加强散热，提高电池的倍率性能。

▲ 动力电池的技术趋势 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

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。

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光学显微镜，起源于17世纪，借助可见光的波长放大物体，实现了微米级分辨率，广泛用于生命科学、材料科学等。在电池领域，它能观察电极结构、检测电极缺陷和锂枝晶的生长，为电池研发提供宝贵数据。但受限于可见光的波长，其观测范围有限，而电子显微镜则很好的解决了这个问题。

电子显微镜于1931年问世，使用电子束放大物体，最大可放大高达300万倍，达到纳米级分辨率。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）。

▲ 电池正负极材料、导电剂、粘结剂、隔膜SEM图 来源：蔡司（使用蔡司电子显微镜测试）

由于具备高分辨率，扫描电子显微镜(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。

尽管2D平面检测简单且有效，但有时可能会出现偏差。3D成像为研发人员提供了更为直观的检测结果，提高了电池的研发效率和性能。

其中，X射线显微镜技术如蔡司的Xradia Versa系列，可以实现电池内部的高分辨率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。

▲ 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）

在此基础上，蔡司推出的4D微观结构演化表征方法，可以获得更多信息，提供更微小的细节特征。

当需要进一步高分辨率分析时，新一代聚焦离子束（FIB）技术成为首选。FIB结合SEM，允许样品在纳米级别进行精细加工和观察。蔡司和赛默飞均已推出相关显微镜产品。

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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。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 来源：蔡司（使用蔡司 Xradia Versa、Ultra、FIB-SEM 系列产品多尺度关联测试）

为了实现原位多角度分析，如德国 WITec、捷克 Tescan、蔡司等推出了 RISE 系统，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。

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。更多精彩内容，请查阅《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。